燒陶瓷的新技術，比烤一張披薩的速度還快

新的工藝可以在較低溫度下快速燒制陶瓷。

賓夕法尼亞州立大學材料科學和工程學專業的Clive Randall教授和他的同事們研發了一種叫做冷燒工藝(CSP)的新技術，它為結合原本不相容的材料(如陶瓷和塑料)開創了新的可能性，使人們能夠創造出更多有用的新型複合材料，同時降低生產過程中的能量消耗。

陶瓷是最古老的人造材料之一，可以追溯到幾千年前。在那時，大多數陶瓷都是通過高溫加熱製成的，要麼在窯爐中煅燒，要麼在鍋爐中燒結陶瓷粉末。但是，這兩種方法都會耗費巨大的能量。

Randall教授表示，「在現代社會的運行中，我們必須非常注意二氧化碳的排放和能量的消耗。如果能改造包括陶瓷在內的很多人造材料的製造工藝，降低二氧化碳的排放和能耗，那就太好了。」

他還說，「這不僅是一種冷燒工藝(從室溫到200攝氏度)，還能在15分鐘之內將一些材料的理論密度增加到95%以上。我們現在製造陶瓷的速度比烤比薩還快，而且所需溫度更低。」

他們把最新發現的製作工藝發表在了學術期刊《高級功能材料》(Advanced Functional Materials)上，細緻地描述了用CSP工藝對陶瓷和熱塑性聚合物複合材料進行的共燒結過程。

為了展示這種工藝可應用材料的範圍，他們還選擇了3種複合材料做演示，從而補充3種不同陶瓷(1種微波電介質、1種電解質和1種半導體)的特性。

試驗表明，這些複合材料可以在120攝氏度的情況下，在15到60分鐘內被燒結至較高的密度。

Randall教授稱，在操作的過程中，需要在陶瓷粉末中加入幾滴水或是酸性溶液潤濕。材料顆粒的堅硬表面會發生分解，並且部分溶解在水中，在顆粒-顆粒界面產生一種液相的狀態。增加溫度和壓力後，水會流動，固體的粒子會在初始的緻密化過程中發生重排。

在操作的第二步中，原子或離子簇會從顆粒接觸處分離，從而加速擴散。這可使表面自由能最小化，讓材料顆粒能夠緊密結合到一起。其中最關鍵的部分是濕度、壓力、熱量和時間的精確組合，這樣才能把握材料完全結晶、得到較高密度所需的反應速率。

「我認為冷燒工藝是由一連串不同挑戰構成的，」Randall教授說，「在一些系統中，你不用加壓也能製造，但在另一些系統中卻需要。在一些系統中你還需要用上納米粒子，但是在另一些系統中，完全用不上。這取決於你使用的系統和化學反應過程本身。」

在發明這套工藝後，他們建立了一套資料庫，記錄了多種材料系統中採用CSP工藝所需的精確技術，目前已達50多種。其中包括陶瓷-陶瓷複合材料、陶瓷-納米顆粒複合材料、陶瓷-金屬材料，以及本文討論的陶瓷-聚合物材料。

在建築材料(比如瓷磚)、保溫材料、生物醫學植入物和許多電子元件的製造中，其實也可以應用CSP系統。

「我希望現有的製造工藝能夠運用這項技術，它不僅解決了不相容材料互相結合的問題，還降低了能耗，減少了二氧化碳的排放，」 Randall教授說。這難道不就是創新的意義么。

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