近日，俄羅斯科研團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)在純水中以冷燒結(jié)（Cold Sintering Process，CSP）方式制備多孔氧化鋁陶瓷的成果發(fā)表在陶瓷“ceramics”期刊。該研究成果首次展示了在純水的情況下用冷燒結(jié)工藝制備多孔氧化鋁陶瓷。
多孔氧化鋁陶瓷廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用，包括過濾器、基板和生物醫(yī)學(xué)材料，它的制備路線有多種，例如部分燒結(jié)、犧牲模板、復(fù)制技術(shù)、直接發(fā)泡和3D打印。但是，這些方法都涉及多個(gè)工序以及1500℃以上的高溫?zé)Y(jié)，這需要昂貴的設(shè)備和高能耗。
冷燒結(jié)：先進(jìn)陶瓷材料的新型燒結(jié)技術(shù)
2016年, 美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的Randall團(tuán)隊(duì)在水熱熱壓燒結(jié)的基礎(chǔ)上提出了一種新型超低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，并命名為冷燒結(jié)技術(shù)(CSP)。
冷燒結(jié)工藝需在陶瓷粉體中加入適量的液相（水或揮發(fā)性溶液），均勻潤(rùn)濕顆粒。然后對(duì)混合施壓壓力（350-500MPa）將顆粒壓實(shí)，使粉體表面物質(zhì)得到分解，部分溶解在溶液中。最后在外加壓力和熱源的作用下對(duì)系統(tǒng)保持壓縮，直至液相完全排除，粉末燒結(jié)成塊體。與此同時(shí)，粉末的溶解度進(jìn)一步提高，形成過飽和液體，開始在顆粒間間隙與氣孔中發(fā)生沉淀反應(yīng)。
與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)相比，冷燒結(jié)技術(shù)相對(duì)優(yōu)勢(shì)較多：
（1）冷燒結(jié)工藝可以在120-900℃溫度條件下制備致密的陶瓷，溫度相比于傳統(tǒng)燒結(jié)或先進(jìn)燒結(jié)技術(shù)顯著降低。即較低溫度下實(shí)現(xiàn)陶瓷致密化，顯著降低能耗；
（2）冷燒結(jié)工藝可以抑制陶瓷燒結(jié)過程中晶粒的異常生長(zhǎng)，得到晶粒尺寸均勻細(xì)密的陶瓷；
（3）冷燒結(jié)工藝可以有效減少高溫?zé)Y(jié)過程中元素的揮發(fā)。
該團(tuán)隊(duì)將γ-Al(OH)3(95wt.%)和α-Al2O3(5wt.%)混合物放入裝有圓形加熱器和保溫層的模具中，加入蒸餾水，在90-350MPa的壓力下進(jìn)行單軸壓制，加熱至380-450℃，恒溫保壓30min，冷卻至室溫后從模具中取出陶瓷樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，初始的γ-Al(OH)3粉末脫水，形成γ-AlOOH和少量χ-Al2O3相。后續(xù)處理形成細(xì)長(zhǎng)的γ-AlOOH晶粒，聚結(jié)成板狀結(jié)構(gòu)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3晶粒。然而，較高的壓力會(huì)阻γ-AlOOH脫水并阻礙α-Al2O3的形成。
本次研究所制備的陶瓷開孔率達(dá)36%，證明CSP法制備多孔氧化鋁陶瓷在過濾器、熱絕緣體以及聚合物和金屬?gòu)?fù)合材料中的部件等應(yīng)用方面具有廣闊的潛力。
來源：《ceramics》期刊