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低温烧结——冷烧结技术的研究进展
发布时间: 2020-11-03 09:23 | 【 【打印】【关闭】

  烧结是一种利用高热量将粉末材料致密成固体形式的方法。在工业上广泛使用的陶瓷粉末通常在800℃或更高的温度下进行压实。许多低维材料不能承受这种温度。

  据中国粉体网的编辑了解,最近一种新的烧结技术得到了关注,宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员开发的烧结工艺称为冷烧结工艺(Cold Sintering Process,CSP),可以在低于300℃的温度下烧结陶瓷,这种方法可节约能源并使其具有高商业潜力的新材料制造成为可能。

  

 冷烧结的基本原理

  研究表明可以分别从反应步骤和微观层面上的机制来介绍冷却烧结法的过程原理。

  根据冷烧结的反应步骤,首先在粉末颗粒间引入适量液相(水或者挥发性溶液)后均匀湿润颗粒。然后在外界压力的作用下颗粒被压实,因为颗粒间液相的存在而压实过程容易进行。与此同时,粉体的表层被液相部分溶解。当在外加压力和热源的共同作用下,开始在颗粒间的空隙处或者气孔中进行沉淀反应。最后粉末在液相完全排除后烧结成一体。

  根据冷烧结的微观反应过程,在颗粒间引入一个液相使陶瓷粉末可以被适量的水溶液均匀湿润。固体颗粒尖锐边缘的溶解减少了界面区域,有利于下一阶段的原子重排。在适当的压力和温度条件下,液相重新分布并且扩散到颗粒间的空隙中。

  接下来发生“溶解-沉淀”过程,该过程是由固液混合相中平衡状态被破坏而出发,因为粉体被液相法逐渐溶解,加热后溶液处于过饱和状态会进一步产生沉淀。在毛细管压力下,颗粒间接触区域的化学势更大,所以在这个阶段,粒子通过液相扩散并且在远离受力接触区域的颗粒位置上沉淀。

  这一过程中的质量传输最大程度的减少了固体的表面自由能,而且除去了气孔使材料成为致密化固体。在最后阶段的烧结过程中,会在晶界区域形成非晶相,这将导致晶界扩散和迁移受阻,从而限制晶粒长大。

  研究表明,冷烧结法过程可以存在三种可能的机制来实现颗粒压实和质量传输的增强,包括液相增强蠕变(Liquid enhanced creep),液相间的Marangoni流动(Marangoni flow at the liquid-liquid interphase)和固液界面的扩散渗透(Diffusiophoresis at the solid-liquid interface)。可以断定冷烧结是多种机械-化学耦合效应产生的结果,这种作用改善了传质过程并且进一步有助于颗粒间的致密化过程。

  冷烧结过程受很多因素影响,比如原材料的选择,溶质和物理参数等。其中最重要的一个是建立一个溶解系统用来提供化学反应发生的环境。根据材料溶解性质的不同可以有两种情况。一种为一致性溶解材料,特别是吸湿性化合物,如Li2MoO4,KH2PO4,NaNO2,ZnO等。该类材料冷烧结过程简单可以直接进行运用。

  另一种是溶解不一致的材料,如BaTiO3会出现表面钝化现象影响沉淀和进一步致密。为了解决这个问题,需要引入按照化学计量比配制的饱和溶液,用来促使颗粒重排、生长和致密化。

  

 

  冷烧结的研究现状 

  2014年,芬兰奥卢大学的H.K?h?ri等发现,在Li2MoO4中加入一定量的去离子水湿润粉体,经压片以及室温或120℃干燥可以获得致密度高达93%的陶瓷块体。2015年,H.K?h?ri等采用相似的方法进一步制备了高致密度的TiO2-Li2MoO4和BaTiO3-Li2MoO4复合陶瓷。但是,这种方法在当时并未引起广泛关注。

  2016年,美国J.Guo等人研究发现了一种新的烧结方法,即引入液相,可以在远低于传统烧结温度的情况下(<300℃),成功制备陶瓷密度达到90%以上,该技术被命名为冷烧结技术(Cold Sintering Process,CSP),该技术不仅可以大幅度降低烧结温度,同时还可以改善材料的结构以及性能。

  国内的研究也有很大进展,陈晓明等人利用冷烧结技术成功制备出BaTiO3陶瓷,其化学性能优异;周迪等人则在钼酸盐微波介电复合材料方面有了非常大的研究突破。

  冷烧结工艺的应用 

  最初广泛应用于电力冶金领域。1979年,GUTMANAS等提出“冷烧结”一词。GUO等将新的一种陶瓷烧结技术命名为“冷烧结工艺”,该技术可以在低于300℃的极低温度下获得致密的陶瓷固体。

  研究已经证实冷烧结可被用来促进材料的致密化,固体材料极高的致密度对重金属离子的浸出具有抑制作用,因此可以考虑将冷烧结技术应用于飞灰中重金属固化。与其他处理飞灰的方法相比,冷烧结法对固化飞灰中铅具有很好的效果,且工艺、设备简单,具有减容减重、能耗低的优点,因此冷烧结法是一种极具前景的新型飞灰处理技术。

  文章来源:新材料网、中国粉体网

  文章链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=582083 

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