La sinterizzazione ultraveloce per la ceramica: un metodo generale per sintetizzare ceramiche sfuse in pochi secondi

Sinterizzazione rapida della ceramica
La sintesi della ceramica può richiedere il riscaldamento per lunghi periodi ad alte temperature, rendendo difficile la schermatura di materiali ad alta resistenza. C. Wang et al. ha sviluppato una nuova tecnica di sinterizzazione in ceramica che utilizza il riscaldamento resistivo di sottili strisce di carbonio per aumentare e diminuire rapidamente la temperatura. Questo metodo consente la rapida sintesi di un’ampia varietà di ceramiche, riducendo al contempo la perdita di elementi volatili. La sinterizzazione ultraveloce è ideale per sintetizzare molte composizioni sullo schermo per proprietà ideali per una varietà di applicazioni, incluso lo sviluppo di nuovi elettroliti a stato solido.

Astratto
La ceramica è un’importante classe di materiali con applicazioni diffuse a causa della loro elevata stabilità termica, meccanica e chimica. Le previsioni computazionali basate sui metodi dei primi principi possono essere uno strumento prezioso per accelerare la scoperta dei materiali per sviluppare ceramiche migliorate. È essenziale confermare sperimentalmente le proprietà materiali di tali previsioni. Tuttavia, i tassi di screening dei materiali sono limitati dai lunghi tempi di lavorazione e dal cattivo controllo compositivo dalla perdita di elementi volatili nelle tecniche di sinterizzazione ceramica convenzionali. Per superare questi limiti, abbiamo sviluppato un processo di sinterizzazione ad alta temperatura (UHS) ultraveloce per la fabbricazione di materiali ceramici mediante riscaldamento radiativo in atmosfera inerte. Forniamo numerosi esempi del processo UHS per dimostrare la sua potenziale utilità e applicazioni,

Il metodo superveloce per la produzione di ceramica potrebbe aprire la porta alla scoperta di materiale guidato dall’IA
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Gli scienziati hanno reinventato un processo di produzione di 26.000 anni in un approccio innovativo alla fabbricazione di materiali ceramici che ha applicazioni promettenti per batterie a stato solido, celle a combustibile, tecnologie di stampa 3D e oltre.
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LA STORIA COMPLETA
Gli scienziati del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell’Università del Maryland (UMD) hanno reinventato un processo di fabbricazione di 26.000 anni in un approccio innovativo alla fabbricazione di materiali ceramici che ha applicazioni promettenti per batterie a stato solido, celle a combustibile , Tecnologie di stampa 3D e oltre.

La ceramica è ampiamente utilizzata in batterie, elettronica e ambienti estremi – ma la sinterizzazione tradizionale in ceramica (parte del processo di cottura utilizzato nella produzione di oggetti in ceramica) richiede spesso ore di tempo di elaborazione. Per superare questa sfida, un team di ricerca del Maryland ha inventato un metodo di sinterizzazione ultraveloce ad alta temperatura che soddisfa entrambe le esigenze della ceramica moderna e favorisce la scoperta di nuove innovazioni di materiale.

Lo studio, condotto da Liangbing Hu, Herbert Rabin, distinto professore della scuola di ingegneria A. James Clark e direttore del Center for Materials Innovation dell’UMD, è stato pubblicato sulla copertina di Science del 1 ° maggio . Chengwei Wang, un assistente ricercatore nel gruppo di Hu, è stato il primo autore dello studio.

Le tecniche di sinterizzazione convenzionali richiedono un lungo tempo di elaborazione – ci vogliono ore per riscaldare una fornace, quindi diverse ore in più per “cuocere” il materiale ceramico – che è particolarmente problematico nello sviluppo di elettroliti per batterie a stato solido. Tecnologie alternative di sinterizzazione (come la sinterizzazione assistita da microonde, la sinterizzazione con plasma a scintilla e la sinterizzazione flash) sono limitate per una serie di ragioni, spesso perché sono specifiche del materiale e / o costose.

Il nuovo metodo del team Maryland di sinterizzazione ultraveloce ad alta temperatura offre alte velocità di riscaldamento e raffreddamento, una distribuzione uniforme della temperatura e temperature di sinterizzazione fino a 3.000 gradi Celsius. Combinati, questi processi richiedono meno di 10 secondi di tempo totale di elaborazione, oltre 1.000 volte più veloci del tradizionale approccio di sinterizzazione a forno.

“Con questa invenzione, abbiamo” inserito “un pellet verde pressato di polveri di precursori ceramici tra due strisce di carbonio che hanno rapidamente riscaldato il pellet attraverso radiazioni e conduzione, creando un ambiente ad alta temperatura coerente che ha costretto la polvere ceramica a solidificarsi rapidamente”, Hu disse. “La temperatura è abbastanza elevata da sinterizzare praticamente qualsiasi materiale ceramico. Questo processo brevettato può essere esteso ad altre membrane oltre la ceramica.”

Lo studio è stato condotto attraverso una stretta collaborazione con Yifei Mo (professore associato, UMD), JC Zhao (professore e presidente di dipartimento, UMD), Howard Wang (professore ospite in visita, UMD), Jian Luo (professore, UC San Diego), Xiaoyu Zheng (assistente professore, UCLA) e Bruce Dunn (professore e presidente di dipartimento, UCLA).

“La sinterizzazione ultraveloce ad alta temperatura rappresenta una svolta nelle tecnologie di sinterizzazione ultraveloce, non solo per la sua generale applicabilità a una vasta gamma di materiali funzionali, ma anche per un grande potenziale di creazione di materiali sfusi non in equilibrio mediante il mantenimento o la generazione di difetti aggiuntivi, “disse Luo.

La tecnologia di sinterizzazione rapida viene commercializzata tramite HighT-Tech LLC, una società spin-off UMD focalizzata su una gamma di tecnologie ad alta temperatura.

“Questo nuovo metodo risolve il problema principale del collo di bottiglia nel calcolo e nella scoperta di materiali guidati dall’intelligenza artificiale”, ha dichiarato Mo. “Abbiamo consentito un nuovo paradigma per la scoperta di materiali con un ritmo accelerato senza precedenti.”

“Siamo lieti di vedere il tempo di pirolisi ridotto da decine di ore a pochi secondi, preservando le strutture finemente stampate in 3D dopo una rapida sinterizzazione”, ha detto Zheng.

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