刘博带你读文献（4）--超快超高温烧结技术（UHS）（@陶瓷&固态电解质）
大家好！五一假期快乐！这是自疫情以来的第一个总算可以出去玩了的长假，希望大家玩的开心！
刘博近来主要做的工作就是做家务以及学习，这两篇又读了几篇文献，特选了这篇分享给大家：《陶瓷的超高温快速加热烧结方法》，该方法在固态电解质的烧结上有很好的应用效果，作者是University of Maryland的胡良兵教授。该文写的清晰流畅，虽然刘博可以在此把主要内容都给大家介绍一遍，但是我仍然强烈建议对这个技术有兴趣的人应该自己深入读一读：）
好，不多说废话了，下面开始介绍。
本文全是技术分析，没有吐槽~
传统的陶瓷材料烧结与新的超快超高温烧结技术（UHS）
其实陶瓷材料已经是一个比较经典也有了很多年研究的材料方向了（当年刘博的博士就烧了五年的结构陶瓷，看到这篇文章倍感亲切），研究理论等等都很成熟。烧结就是通过升温-保温，使得初始状态下的坯体材料显微组织中的晶粒进行生长致密化，从而获得高致密度陶瓷材料的过程。为了把材料“烧密”，尽量避免缺陷产生，传统的典型烧结工艺，常常费时费能，以及有时显的灵活性不够。
烧结可以说是制备陶瓷材料的最为关键的一步，而在过去几十年中，也有了很多这方面的创新的方法，包括SPS、闪烧、微波烧结等等。然而，这些方法也各有各的局限：SPS一次只能做一小块形状规则的材料，而闪烧则要求材料必须导电，太受限于材料的本身特性。
而在这里，胡老师就发明了他的新的超快超高温烧结技术（UHS），其核心思想是在惰性气氛下大功率辐射快速加热-保温-冷却，以实现对材料的快速高效烧结，是一种高普适性的烧结工艺。
工作原理
其实特别简单：还是陶瓷粉料的成型-造坯，然后我们的加热元件就是上下碳纸，坯体置于中间。碳纸经过大功率通电就可以快速升温，两张碳纸之间就形成高温温场，通过辐射就可以把热传导到坯体中去，使得材料烧结，从而完成致密化。
这个图就形象的表明了该烧结工艺中，显微组织随烧结/温度制度的演化过程,主要有以下三步：
加热：室温到1500℃的升温时间需要大概30s（对于我们传统的烧结工艺，这个时间一般是小时级的）
保温：从图中的示意可以看出时间不会太长，应该是1min之内
速冷：几秒钟的骤冷
几种烧结工艺的比较
然后这张图里，就说明了该烧结方法相比于几种典型烧结方法的优点
说实话，写的非常清晰易懂，刘博觉得评论都有点画蛇添足。刘博通读本文后，还是稍微替作者总结了一下该方法的一些需要特色，在这里再强调一下：
超快超高温烧结技术（UHS）的优点
1. 异形材料：很方便去烧结异形材料（3D打印），对于陶瓷材料时下向这个新的风口方向发展很有帮助。
2. 工况面广：碳加热材料+惰性气氛工作，基本什么烧结工况（温度+所有非氧化气氛）都可以搞定，中/惰性气氛烧结的材料影响也不大（比如氧化铝这种，作者研究了一下发现不会明显的影响氧空位的含量，烧结并不会导致材料结构中的氧大量的损失）
3. 减少杂质：对材料本身化学成分/组织/异物影响小。因为整个烧结过程很快，也没有大的压力与接触，所以不像SPS等其它一些烧结方法一样会在表面的材料部位有碳等杂质的渗入与污染。
4. 容易放大：用大碳纸 + 多放样品就办了。
5. 不挑材料：各种氧化物、硼化物、氮化物、氮化物等都可以烧
6. 缺陷材料：可以烧出各种含有偏离平衡态缺陷（点缺陷、位错）的材料
7. 固态电池：非常适合卷对卷的薄膜材料连续烧（我觉得对于固态电解质的工业化没准会有很大的促进作用）
8. 成分锁定：超快速烧结，传统烧结中因为长时间保温导致的挥发损失偏离化学剂量比以及不想要的互扩散现象（@功能梯度材料）问题得到了解决：简直是烧结固态电解质材料的福音！不用补太多锂了！
在固态电解质体系中的应用&验证
胡老师在这篇文章中在烧结了好几个固态电池电解质，包括LLZO，LATP等，然后做成对称锂金属电池进行循环验证了材料的稳定性，总之看结果非常不错，循环后各方面都非常好。
刘博乱弹
不过如果非要挑局限性的话，也不能说完全没有，但是刘博觉得不多。在这里斗胆提出几条自己不成熟的见解，欢迎大家拍砖：
1. 烧不了需要弱/强氧化气氛的材料 ——这个可能没有什么太好的办法：这个工艺需要快速走大电流加热的低电阻材料，但是这些材料普遍性的不太耐氧化——正常的烧结炉（用的电流什么的都小多了）都常常要更换炉丝的，所以估计这块还是麻烦。
2. 工艺窗口会不会有点窄，不太容易控制？针对固态电解质LLZTO烧结，作者也给出了这个工艺窗口，大家可以看到，只有绿色的这个部分是合适的工艺窗口。当然这里说的主要还只是给材料摸工艺的问题。再回到工业化上，这个大碳纸温场的控制（尤其考虑到需要急冷急热）怎么能弄好，我觉得可能有些技术挑战。
后记
五一休闲假期大家要好好玩，总算是疫情后的一个可以有出游机会假期，要珍惜。旅游一下消费一下，也是为了国家的经济恢复做贡献。
不过呢，休闲之余，大家也不要忘了多给自己充电和提高自己。世界时局的变化使得经济和技术的发展趋势可能都要受到影响，每一个人都应该自立自强，努力前进，固守于以前学到的知识和见解可不行。
致谢
感谢pppeach在技术方面的讨论和建议。
