冷沉积技术为不相容材料的连接开辟了新天地
2016-10-12 12:38:15
作者:本网整理 来源:材料牛
陶瓷是已知最早的人造材料,可追溯到数万年前。那时几乎所有的陶瓷都通过高温加热制成,在窑中烧制或在炉中烧结陶瓷粉末,这两种方法都需要大量的能量。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授Clive Randall 说:“在当今时代,我们越来越意识到二氧化碳平衡的重要性,同时能源平衡,包括陶瓷,也变得非常重要,因此我们需要重新思考许多制造工艺。” Clive Randall教授带领他的团队开发了这个过程,“这不仅是一个低温工艺(室温至200℃),我们可在15分钟内将有些致密材料压缩至其理论密度的95%以上。现在我们制造陶瓷的速度甚至比你烤比萨饼的速度还要快,并且温度更低。”
最近在Advanced Functional Materials期刊上的一篇文章中,Randall及其合作者描述了使用CSP方法同时烧结陶瓷和热塑性聚合物复合材料的过程。选择三种类型的聚合物来弥补三种陶瓷材料——微波电介质,电解质和半导体的特性,以突出适用材料的多样性。这些复合材料展示了介电性能设计,离子和电子导电性设计的新可能性。这些复合材料在120℃下烧结15至60分钟即可达到高密度。
研究人员称,该方法需用几滴水或酸溶液润湿陶瓷粉末,颗粒的固体表面分解并部分溶于水中,从而在颗粒与颗粒的界面间产生液相。升高温度和增大压力会引起水的流动,以及初始致密过程中固体颗粒的重新排列。在接下来的过程中,原子或离子的团簇从颗粒接触的地方迁离,即协助扩散,该过程最大限度地减少了表面自由能,从而使这些颗粒紧密地聚集在一起。该技术的关键是要知道实现该反应速率所需水分,压力,热量和时间的确切组合,只有这样才能使材料完全结晶,并达到非常高的密度。
Randall说:“我认为冷烧结过程充满了挑战。在一些系统中,这个过程很容易,不需要压力;而在其他情况下就需要一定的压力;有时需要使用纳米颗粒;有时又无需混合纳米颗粒和大的颗粒。这全都取决于你所使用的材料体系和化学成分。”
宾夕法尼亚州立大学的团队已经建立了在不同材料体系中使用CSP所需的精确技术库,目前已得到验证的有50个工艺流程,其中包括陶瓷——陶瓷复合材料,陶瓷——纳米粒子复合材料,陶瓷——金属复合材料,以及本文所讨论的陶瓷——聚合物复合材料。
目前通过CSP来探索的其他领域包括结构材料,如瓷砖,保温材料,生物医学植入物以及许多类型的电子元件。
Randall 总结说:“我希望很多现存的制造工艺能够使用此过程,我们会在聚合物的生产质量管理规范中不断学习。”
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