Керамика — самый старый из известных материалов, созданный руками человека, возраст которого насчитывает десятки тысяч лет. На протяжении того времени почти вся керамика изготавливалась путем нагрева до высоких температур либо путем обжига в печах, либо путем спекания керамических порошков в печах, оба из которых требовали большого количества энергии.«В наши дни, когда мы должны очень внимательно относиться к бюджету CO2, энергетический бюджет, переосмысление многих наших производственных процессов, включая керамику, становится абсолютно жизненно важным», — сказал Клайв Рэндалл, профессор материаловедения и инженерии в Пенсильвании.
Укажите, кто разработал процесс вместе со своей командой. «Это не только низкотемпературный процесс (комнатная температура до 200 градусов Цельсия), но мы также уплотняем некоторые материалы до более чем 95 процентов от их теоретической плотности за 15 минут. Теперь мы можем изготавливать керамику быстрее, чем вы можете печь пицца и при более низких температурах ".В недавней статье в журнале Advanced Functional Materials Рэндалл и его соавторы описывают совместное спекание керамических и термопластичных полимерных композитов с использованием CSP. Были выбраны три типа полимера, чтобы дополнить свойства трех типов керамики, микроволнового диэлектрика, электролита и полупроводника, чтобы подчеркнуть разнообразие применимых материалов.
Эти композитные материалы демонстрируют новые возможности для расчета диэлектрических свойств, а также для расчета электропроводности как с ионами, так и с электронами. Эти композиты могут быть спечены до высокой плотности при 120 ° C за время от 15 до 60 минут.
Просто добавь водыПо словам исследователей, процесс заключается в смачивании керамического порошка несколькими каплями воды или раствора кислоты. Твердые поверхности частиц разлагаются и частично растворяются в воде с образованием жидкой фазы на границах раздела частицы.
Добавление температуры и давления заставляет воду течь, а твердые частицы перестраиваются в начальном процессе уплотнения. Затем во втором процессе кластеры атомов или ионов удаляются от того места, где соприкасаются частицы, что способствует диффузии, которая затем сводит к минимуму свободную энергию поверхности, позволяя частицам плотно упаковываться вместе. Ключевым моментом является знание точного сочетания влажности, давления, тепла и времени, необходимого для определения скорости реакции, чтобы материал полностью кристаллизовался и достигал очень высокой плотности.«Я рассматриваю процесс холодного спекания как непрерывный ряд различных проблем», — сказал Рэндалл. «В некоторых системах это настолько просто, что вам не нужно давление.
В других вам нужно. В некоторых вам нужно использовать наночастицы. В других вы можете обойтись смесью наночастиц и более крупных частиц. На самом деле все зависит от системы и химии, о которых вы говорите ".
Команда Penn State приступила к созданию библиотеки точных методов, необходимых для использования CSP в различных системах материалов, с 50 проверенными на сегодняшний день процессами. К ним относятся композиты керамика-керамика, композиты керамика-наночастицы, металлокерамика, а также керамические полимеры, обсуждаемые в этой статье.
Другие области, которые сейчас открыты для исследования CSP, включают архитектурные материалы, такие как керамические кирпичи, теплоизоляцию, биомедицинские имплантаты и многие типы электронных компонентов.«Я надеюсь, что многие из уже существующих производственных процессов смогут использовать этот процесс, и мы сможем извлечь уроки из практики производства полимеров», — заключил Рэндалл.