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冷燒工藝的藝術(shù)說(shuō)明圖：利用低溫蒸發(fā)添加的水分子(藍(lán)色)，陶瓷粒子(白色)和幾束聚合物(綠色)結(jié)合在了一起
      近日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)專(zhuān)業(yè)的Clive Randall教授和他的同事們研發(fā)了一種叫做冷燒工藝(CSP - Cold Sintering Process)的新技術(shù)，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分鐘之內(nèi)就能完成燒結(jié)，很大程度上降低了工業(yè)制造成本。同時(shí)，該技術(shù)還提高了原本不相容材料的結(jié)合能力(如陶瓷和塑料)，為人們創(chuàng)造出更多有用的新型復(fù)合材料提供了可能性。
      燒陶瓷比烤披薩更快 溫度更低
      最新發(fā)現(xiàn)的冷燒制作工藝已寫(xiě)成多篇論文發(fā)表在了學(xué)術(shù)期刊《高級(jí)功能材料》(Advanced Functional Materials)和《美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》(Journal of the American Ceramic Society)等刊物上。根據(jù)相關(guān)論文介紹，CSP冷燒工藝主要應(yīng)用于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的燒結(jié)，用水作為臨時(shí)溶劑，通過(guò)溶解-沉淀過(guò)程實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)和致密化，這個(gè)過(guò)程溫度能夠維持在室溫至200℃之間。并且，通過(guò)冷燒工藝所制成的樣品性能已被證明與通過(guò)常規(guī)熱燒結(jié)工藝制備的樣品性能相同。
      在另外的論文中，Randall教授也細(xì)致地描述了用CSP工藝對(duì)陶瓷和熱塑性聚合物復(fù)合材料進(jìn)行的共同燒結(jié)的過(guò)程，并宣稱(chēng)該冷燒工藝打開(kāi)了陶瓷封裝和微波器件開(kāi)發(fā)的新時(shí)代。由于傳統(tǒng)上陶瓷與一些其他熱塑性聚合物材料的燒結(jié)溫度存在巨大差異，所以陶瓷和熱塑性聚合物復(fù)合材料似乎不可能結(jié)合在一起，但冷燒技術(shù)則提供了可能性，由于燒成溫度控制在200℃以?xún)?nèi)，熱塑性聚合物與陶瓷材料可以共同形成致密的復(fù)合材料。
    為了展示這種工藝可應(yīng)用材料的范圍，Randall教授及其團(tuán)隊(duì)在論文中也選擇了3種聚合物做演示，來(lái)補(bǔ)充3種不同陶瓷的性能(1種微波電介質(zhì)、1種電解質(zhì)和1種半導(dǎo)體)。這些材料為介電性能設(shè)計(jì)、離子和電子電導(dǎo)率設(shè)計(jì)提供了新的可能性。在120℃的條件下，這些復(fù)合材料僅需15到60分鐘就可以燒成高密度狀態(tài)。
      “我們現(xiàn)在燒陶瓷可以比烤比薩餅更快，而且用到的溫度更低。”Randall表示。
      不同介電性質(zhì)的材料可以通過(guò)CSP冷燒工藝進(jìn)行復(fù)合燒成，已經(jīng)為陶瓷封裝和微波器件開(kāi)發(fā)提供了簡(jiǎn)單、有效并且節(jié)能的方法。目前，Randall及其團(tuán)隊(duì)也正在將CSP冷燒工藝引入微波元件和封裝介質(zhì)基板(包括陶瓷多層基板和大規(guī)格整體陶瓷基板)的生產(chǎn)制造過(guò)程中。
      冷燒技術(shù)是一個(gè)雙重過(guò)程
      根據(jù)Randall教授在論文里的描述和介紹，新的冷燒CSP技術(shù)是一個(gè)雙重過(guò)程：首先，陶瓷粉末需要用少量水或酸性溶液均勻潤(rùn)濕，在粒子與粒子界面之間產(chǎn)生液相，以加速粒子溶解和運(yùn)動(dòng)，在特定的溫度及壓力下，固體顆粒在水性液相的幫助下會(huì)經(jīng)歷顆粒重排過(guò)程。之后，原子或離子簇會(huì)從顆粒接觸處分離，從而加速擴(kuò)散，使粒子表面自由能最小化，陶瓷固體顆粒在這個(gè)過(guò)程中會(huì)通過(guò)溶解-沉淀的方式致密化，沉淀來(lái)自粒子表面上外延生長(zhǎng)的過(guò)飽和溶液。
      有許多變量可以影響在CSP條件下的燒結(jié)，包括粒子大小、水添加量、pH值、溶質(zhì)添加、施加的壓力、燒結(jié)溫度、保持時(shí)間和加熱速率等。Randall也指出，知道水分，壓力，熱量和捕獲反應(yīng)速率所需的時(shí)間以確保材料完全結(jié)晶和充分致密化也是至關(guān)重要的。他表示，“冷燒工藝是由一連串不同挑戰(zhàn)構(gòu)成的，在一些系統(tǒng)中，你不用加壓也能制造，但在另一些系統(tǒng)中卻需要。在一些系統(tǒng)中你還需要用上納米粒子，但是在另一些系統(tǒng)中，完全用不上。這取決于你使用的系統(tǒng)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程本身。”
      Randall教授在論文中也區(qū)分了CSP冷燒工藝與水熱合成技術(shù)的區(qū)別：水熱合成是利用相反應(yīng)從溶液中結(jié)晶出無(wú)水物質(zhì)，通常使用密封反應(yīng)容器。水熱熱壓和反應(yīng)性水熱燒結(jié)可導(dǎo)致固化，但產(chǎn)物通常是多孔的。而CSP工