《Science》封面文章：3D打印陶瓷烧结只需10秒钟，速度提升1000倍

南极熊导读：陶瓷3D打印越来越得到业界的重视。然而，无论是基于光固化、FDM，还是喷射等不同3D打印技术所制造的陶瓷零件，都需要后期烧结这个必不可少的工艺环节。而烧结工艺，应用已经非常成熟和普遍了。

2020年5月8日，南极熊注意到，《Science》杂志发表了一篇论文，马里兰大学（UMD）材料科学与工程系（MSE）的科学家研究了一种超快速高温烧结（UHS）新工艺。在惰性气氛中通过辐射加热烧结陶瓷材料，这种方法将烧结过程所需的时间缩短到10秒钟，比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。在固态电池、燃料电池、3D打印等行业中具有广阔的应用前景。

论文作者为美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和 加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人（共同通讯作者），论文题目为“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”。

下面，南极熊为您进一步解读这个新工艺。

作者先是介绍了UHS工艺的基本原理，如下图所示。

图1. 快速烧结工艺和陶瓷合成装置； (A)UHS工艺的示意图  ，先将前体颗粒压制成陶瓷生柸，然后进行高温烧结，烧结温度高达3000°C，烧结时间约10秒钟，最终得到烧结后的组件。（B）是陶瓷生柸在常温下的状态；（C）是在1500℃时的状态；

△烧结过程的动态图片（加速后）

研究人员表示：“ 我们将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两根碳条之间，这些碳条通过辐射和传导迅速加热生柸，能够创造出均匀一致的高温环境，用于快速合成（固态反应）和反应烧结，使陶瓷粉末迅速固化。在惰性气氛中，这些碳加热元件可以提供高达3000℃的温度，这足以合成和烧结几乎任何陶瓷材料。”

随后，研究人员对烧结过程中，陶瓷内部微观形貌的变化进行了研究，拍摄了SEM照片并进行了对比。

图2.陶瓷材料的快速烧结过程。(A) UHS工艺典型的温度曲线。升温过程约30秒，1500℃恒温过程10秒，冷却过程约5秒，整个过程需要<1分钟。SEM图像显示了LLZTO陶瓷在10秒等温下的反应过程。(B和C) UHS烧结（B）和传统熔炉烧结（C）LLZTO的断裂横断面SEM图像。(D)不同的LLZTO样品的Li损失。(E) 用UHS技术在约10s内烧结的各种陶瓷的图片。

图3.快速烧结技术用于陶瓷筛选

除了可以对单一成分的陶瓷进行烧结，研究人员还烧结了两种材料复合的结构，并对烧结界面进行了研究。此外，除了简单的原片结构，研究人员还用3D打印机制造了复杂的晶格结构，并对其进行快速高温烧结试验，烧结后的结果显示可以保持原有的结构形状。

图4.UHS烧结技术实现的结构 。(A和B)烧结的LATP-LLZTO双层SSE（A）和LLZTO-Li3PO4复合体SSE（B）。(C)SiOC聚合物前体的照片。(D) 使用UHS工艺，1200℃烧结10秒钟后SiOC样品的照片。显示出材料的均匀收缩率和均匀性结构。(E)四种UHS烧结的复合结构，具有不同的重复单元。（F）多层3D打印SiOC聚合物前体，掺杂了Al和Co。(G)UHS烧结和传统炉烧结后Co和Al掺杂边界的元素图谱。(H)两种烧结工艺样品 压阻与磁力引起的应力的关系。


研究人员表示，这种方法有两重意义：“超快高温烧结代表了超快烧结技术的一项突破，这不仅是因为它普遍适用于多种功能材料，还因为其通过保留或产生额外缺陷来创造非平衡块状材料方面拥有巨大潜力。”

目前该技术由HighT-Tech LLC进行商业化。“我们很高兴看到热解时间从数十小时减少到几秒钟，并在快速烧结后保留了精细的3D打印结构。”


在南极熊看来，这项新工艺对于3D打印陶瓷件的生产具有重要意义，可以大幅缩短3D打印陶瓷件的烧结时间，提高生产效率，将进一步推动陶瓷3D打印用于批量生产的进程。

更多详细的研究细节，请阅读论文原文。