《Science》封面文章：3D打印陶瓷燒結(jié)只需10秒鐘，速度提升1000倍

南極熊導讀：陶瓷3D打印越來越得到業(yè)界的重視。然而，無論是基于光固化、FDM，還是噴射等不同3D打印技術(shù)所制造的陶瓷零件，都需要后期燒結(jié)這個必不可少的工藝環(huán)節(jié)。而燒結(jié)工藝，應用已經(jīng)非常成熟和普遍了。

2020年5月8日，南極熊注意到，《Science》雜志發(fā)表了一篇論文，馬里蘭大學（UMD）材料科學與工程系（MSE）的科學家研究了一種超快速高溫燒結(jié)（UHS）新工藝。在惰性氣氛中通過輻射加熱燒結(jié)陶瓷材料，這種方法將燒結(jié)過程所需的時間縮短到10秒鐘，比傳統(tǒng)的熔爐燒結(jié)方法快1000倍以上。在固態(tài)電池、燃料電池、3D打印等行業(yè)中具有廣闊的應用前景。

論文作者為美國馬里蘭大學胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大學、加州大學鄭小雨教授和 加州大學圣地亞哥分校駱建教授團隊等人（共同通訊作者），論文題目為“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”。

下面，南極熊為您進一步解讀這個新工藝。

作者先是介紹了UHS工藝的基本原理，如下圖所示。

圖1. 快速燒結(jié)工藝和陶瓷合成裝置； (A)UHS工藝的示意圖  ，先將前體顆粒壓制成陶瓷生柸，然后進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度高達3000°C，燒結(jié)時間約10秒鐘，最終得到燒結(jié)后的組件。（B）是陶瓷生柸在常溫下的狀態(tài)；（C）是在1500℃時的狀態(tài)；

△燒結(jié)過程的動態(tài)圖片（加速后）

研究人員表示：“ 我們將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩根碳條之間，這些碳條通過輻射和傳導迅速加熱生柸，能夠創(chuàng)造出均勻一致的高溫環(huán)境，用于快速合成（固態(tài)反應）和反應燒結(jié)，使陶瓷粉末迅速固化。在惰性氣氛中，這些碳加熱元件可以提供高達3000℃的溫度，這足以合成和燒結(jié)幾乎任何陶瓷材料。”

隨后，研究人員對燒結(jié)過程中，陶瓷內(nèi)部微觀形貌的變化進行了研究，拍攝了SEM照片并進行了對比。

圖2.陶瓷材料的快速燒結(jié)過程。(A) UHS工藝典型的溫度曲線。升溫過程約30秒，1500℃恒溫過程10秒，冷卻過程約5秒，整個過程需要<1分鐘。SEM圖像顯示了LLZTO陶瓷在10秒等溫下的反應過程。(B和C) UHS燒結(jié)（B）和傳統(tǒng)熔爐燒結(jié)（C）LLZTO的斷裂橫斷面SEM圖像。(D)不同的LLZTO樣品的Li損失。(E) 用UHS技術(shù)在約10s內(nèi)燒結(jié)的各種陶瓷的圖片。

圖3.快速燒結(jié)技術(shù)用于陶瓷篩選

除了可以對單一成分的陶瓷進行燒結(jié)，研究人員還燒結(jié)了兩種材料復合的結(jié)構(gòu)，并對燒結(jié)界面進行了研究。此外，除了簡單的原片結(jié)構(gòu)，研究人員還用3D打印機制造了復雜的晶格結(jié)構(gòu)，并對其進行快速高溫燒結(jié)試驗，燒結(jié)后的結(jié)果顯示可以保持原有的結(jié)構(gòu)形狀。

圖4.UHS燒結(jié)技術(shù)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu) 。(A和B)燒結(jié)的LATP-LLZTO雙層SSE（A）和LLZTO-Li3PO4復合體SSE（B）。(C)SiOC聚合物前體的照片。(D) 使用UHS工藝，1200℃燒結(jié)10秒鐘后SiOC樣品的照片。顯示出材料的均勻收縮率和均勻性結(jié)構(gòu)。(E)四種UHS燒結(jié)的復合結(jié)構(gòu)，具有不同的重復單元。（F）多層3D打印SiOC聚合物前體，摻雜了Al和Co。(G)UHS燒結(jié)和傳統(tǒng)爐燒結(jié)后Co和Al摻雜邊界的元素圖譜。(H)兩種燒結(jié)工藝樣品 壓阻與磁力引起的應力的關(guān)系。


研究人員表示，這種方法有兩重意義：“超快高溫燒結(jié)代表了超快燒結(jié)技術(shù)的一項突破，這不僅是因為它普遍適用于多種功能材料，還因為其通過保留或產(chǎn)生額外缺陷來創(chuàng)造非平衡塊狀材料方面擁有巨大潛力。”

目前該技術(shù)由HighT-Tech LLC進行商業(yè)化�！拔覀兒芨吲d看到熱解時間從數(shù)十小時減少到幾秒鐘，并在快速燒結(jié)后保留了精細的3D打印結(jié)構(gòu)�！�


在南極熊看來，這項新工藝對于3D打印陶瓷件的生產(chǎn)具有重要意義，可以大幅縮短3D打印陶瓷件的燒結(jié)時間，提高生產(chǎn)效率，將進一步推動陶瓷3D打印用于批量生產(chǎn)的進程。

更多詳細的研究細節(jié)，請閱讀論文原文。