微米和纳米科技材料

科研简报:冷烧结技术的研究进展及其在电气领域的潜在应用

采用传统烧结方法实现陶瓷材料致密化,通常需要1000℃以上的高温,导致陶瓷材料在物相稳定性、晶界控制及复合烧结等方面受到极大的挑战。最近提出的冷烧结技术可将烧结温度降低至300℃以下,在短时间内,利用过渡液相和单轴压力,通过陶瓷粉体的溶解-再沉淀过程实现陶瓷的致密化。低温、快速烧结等特点使冷烧结技术在陶瓷烧结领域具有诸多优势。

冷烧结技术的研究和应用不仅涉及一系列的重要物理、化学和材料问题,也关系到能源节约和环境保护。在过去的近20年里,国内外学者致力于开发新的低温烧结技术。冷烧结技术的提出实现了陶瓷与聚合物、挥发性添加剂以及金属等材料的冷烧共烧,有望在微波介电材料、高电位梯度压敏陶瓷、柔性陶瓷-聚合物材料、高强度-高绝缘的氧化物陶瓷、固态电解质、热电材料、压电传感器、陶瓷电容器等新型电工材料的开发取得突破性进展。

图 冷烧结装置

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)、金属材料强度国家重点实验室(西安交通大学)的研究人员康晟淋、赵学童、张洁心、郭靖、杨丽君,在2022年第5期《电工技术学报》上撰文,从冷烧结机理及其在电工领域的潜在应用两个方面对冷烧结技术的研究进展进行了综述,主要介绍了冷烧结陶瓷的致密化过程和制备工艺,并着重分析了过渡液相的分类及其对冷烧结过程的辅助作用。

研究人员阐述了冷烧结技术在新型电工材料如陶瓷-聚合物基功能材料(压敏、热电、储能电解质)、陶瓷-二维材料(热电)、高电位梯度ZnO压敏陶瓷以及陶瓷-金属多层陶瓷(储能电容器)共烧中的应用,并进一步分析了冷烧结和其他烧结技术结合的可行性。冷烧结技术的提出为陶瓷低温烧结的机理研究、新型陶瓷和陶瓷基复合材料的开发及其在电工领域的应用提供了新的思路和参考。

但是,研究人员也指出,目前冷烧结技术的推广应用和工业化方面仍面临巨大的挑战。

1)冷烧结机理复杂。不同的陶瓷体系通常需要不同的辅助液相和烧结条件,掺杂改性剂的添加也会对冷烧结过程产生影响,现有的理论还不能完美地解释陶瓷的冷烧结过程。

2)液相选择问题。辅助液相的选择对冷烧结过程至关重要,对一些难溶和不一致溶融的陶瓷材料,由于缺乏合适的辅助液相而无法实现冷烧结。

3)力学性能有待加强。对于一些陶瓷体系,虽然采用冷烧结可以实现致密化和电性能的提升,但与传统烧结的试样相比,机械强度相对偏弱,导致无法实际应用。

4)工业化生产问题。现有的冷烧结技术仍在实验室研究阶段,仍存在影响其工业化应用的诸多因素,比如制备的试样尺寸小,大尺寸样品内部的快速均匀传热,工业化冷烧结装置的研发等问题。

本文编自2022年第5期《电工技术学报》,论文标题为“冷烧结技术的研究进展及其在电工领域的潜在应用”,作者为康晟淋、赵学童 等。

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