編者按：美國馬里蘭大學胡良兵團隊之前曾應用全新的兩步碳熱衝擊法制備得到高熵合金納米顆粒，運用循環震盪加熱的方法合成了高分散、熱穩定的單原子催化劑。這次他們繼續“玩火”，目標則換成了陶瓷。

陶瓷材料由於熱穩定性好，機械強度高，化學穩定性好而成爲一類重要的材料，具有廣泛的用途。基於第一性原理方法的計算預測是加速新型材料發展以開發改良陶瓷的寶貴工具；然而，必須通過實驗確認預測的材料屬性。目前材料的篩選進程受到傳統陶瓷燒結技術中燒結工藝時間長（20小時左右），成分控制不佳，易揮發元素含量難以控制（Li, Pb, Na, K等）的限制。

爲克服這些限制，研究者開發了一種超快高溫燒結（Ultrafast High-Temperature Sintering，UHS）工藝。通過在惰性氣氛下對原料混合物胚體片輻射加熱，可在10 s內製備結構緻密，性能優良的陶瓷材料。研究者提供了一些UHS工藝示例（24餘種樣品），以證明其潛在的實用性和應用性，包括固態電解質，高溫氧化物陶瓷，多組分結構，3D打印材料。並與計算大數據相結合，實現了高通量材料篩選。

美東時間5月1日，美國Science雜誌刊登題爲“A General Method to Synthesize and Sinter Bulk Ceramics in Seconds”的封面文章，報道了馬里蘭大學胡良兵教授關於快速燒結法制備陶瓷的最新研究成果。本文第一作者爲馬里蘭大學博士後王成威。https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521

圖一：A：UHS合成過程的示意圖，其中將壓制的前體生坯顆粒在3000 ℃的燒結溫度下約10 s內直接燒結成緻密的陶瓷成分。B：室溫下UHS加熱裝置照片。C：大約1500 ℃下UHS加熱裝置照片。

UHS方法如圖一所示，首先按照化學計量比稱取原料，混合壓片。然後直接將胚體片置於UHS加熱裝置中，以103-104 ℃/min升溫速率至目標溫度，保溫10秒左右，再以大於104 ℃/min的降溫速率降至室溫，即得到結構緻密，性能優良的陶瓷樣品。整個燒結過程在一分鐘左右。

本文研究者在文章中對快速燒結法的燒結機理進行了研究，如圖二所示。在研究晶粒生長過程時，研究者發現燒結過程的活化能確實和傳統燒結方法有很大不同。在10秒內的燒結過程中，胚體樣品的固相反應和燒結過程同時進行。與傳統燒結方法明顯劃分的初期，中期，後期階段不同，UHS燒結過程中，樣品孔隙率和晶粒大小的變化並沒有明顯的階段區分。UHS的快速燒結過程，可以有效抑制陶瓷組分中易揮發元素的損失；高的燒結溫度可以保證陶瓷結構的緻密性，合成出的陶瓷密度高達94%以上。

圖二：陶瓷材料的快速燒結過程。A：UHS工藝的典型溫度曲線。整個過程不到1分鐘。B：UHS燒結LLZTO的斷面SEM圖像。C：傳統燒結LLZTO的斷面SEM圖像。D：通過UHS燒結技術和傳統燒結，從具有0％，10％和20％過量Li的前體燒結的不同LLZTO樣品的Li損失。E：在10秒鐘內通過UHS技術燒結的各種陶瓷的圖片。

計算大數據是一種有效快速地預測新型材料的手段。如圖三所示，本文研究者把快速燒結法和計算大數據相結合，快速完成了新型石榴石型固態電解質的篩選。爲了實現未來快速燒結法落地及實用化，本文研究者做了一個演示，通過擴大加熱臺尺寸同時燒結了2×5個固態電解質胚體。燒結之後的固態電解質結構緻密，機械強度好，且以其爲電解質製備的對稱電池Li/garnet/Li循環電流密度高達3.2 mA/cm2，是目前基於石榴石型固態電解質的固態電池中報道的最高值之一。

圖三：陶瓷篩選的快速燒結技術。A：通過計算預測和快速合成實現並加速材料發現。B：用於預測新石榴石成分的計算工作流程。C：該表列出了具有不同穩定性的預測石榴石成分。D：結合計算預測，並通過UHS技術燒結的石榴石材料圖片（與通常的白色具有不同的顏色）。E：使用UHS技術在短短約10 s內共燒結100個陶瓷樣品的20×5矩陣示意圖。F：共燒結2×5個石榴石樣品的UHS設置圖片。上圖是UHS共燒結過程的側視圖。G：具有厚鋰電極的對稱電池在不同電流密度下循環的電壓和電流曲線。

快速燒結法可以有效控制元素含量，元素擴散，保證結構完整性。因此可以完成層狀複合材料結構設計，或者與3D打印技術相結合，通過材料結構設計，調控高溫材料性能（如圖四所示）。其次，由於其極高的溫度，UHS未來可以很容易地擴展到各種非氧化物高溫材料，包括金屬，碳化物，硼化物，氮化物和硅化物。而且，UHS還可以用於製造功能梯度材料，並有效控制相互擴散程度。另外，UHS超快工藝非平衡過程可能會產生具有非平衡濃度的點缺陷，位錯和其他缺陷或亞穩態相的材料，從而獲得理想的性能。最後，UHS方法的高度可控溫度曲線，還能夠控制燒結過程，研究微觀結構的演變進程。

圖四：UHS燒結技術實現的獨特結構。A：共燒結LATP-LLZTO雙層固態電解質結構。B：LLZTO-Li3PO4複合固態電解質結構的示意圖和EDS圖譜。C：3D打印SiOC聚合物前驅體。D：UHS燒結的SiOC樣品的照片。E：具有不同重複單元的四個UHS燒結複雜結構。F：3D打印多層SiOC聚合物前體（摻有Al和Co）和相應的UHS燒結結構。G：UHS燒結和傳統燒結制備的SiOC樣品的Co和Al摻雜邊界的元素分佈。H：UHS和傳統燒結制備的3D打印磁通密度傳感器裝置的壓阻對磁力關係。ΔR是壓阻的變化。

馬里蘭大學Herbert Rabin傑出講席教授，材料創新中心的主任胡良兵

本文的主要合作者包括馬里蘭大學莫一非教授、加利福尼亞大學洛杉磯分校鄭小雨教授、加利福尼亞大學聖地亞哥分校駱建教授和加利福尼亞大學洛杉磯分校Bruce Dunn教授。胡良兵教授和合作者去年成立了一家名爲HighT-Tech LLC（高溫高科）公司(www.highT-tech.com) ， 致力於高溫科技的產業化。