アメリカ人は1分以内にセラミックを合成することを学びました

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Anonim
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米国の研究者は、1分未満でセラミック材料を作成できる焼結方法を開発しました。高価な装置を必要とせず、最高温度で材料特性に依存しない他の急速焼結方法よりも優れています。新しい方法は、セラミック材料の現代的な開発の最も重要な問題の1つを解決します-新しい化合物の合成速度を上げること、科学者はジャーナルScienceに書いています。

伝統的に、セラミック材料は、粉末を高温(摂氏2000度を超えることもある)で焼結することによって製造されます。セラミックは、化学的安定性、高温、機械的特性、および比較的単純で収益性の高い製造方法により、建設、電子機器、エネルギーなど、多くの分野で広く使用されています。セラミック材料に基づいて、固体酸化物燃料電池を作成するための開発が進行中であり、透明なセラミックを使用して、レンズやシンチレータなどの光学デバイスを作成しています。

しかしながら、セラミック材料を作成するための既存の方法には、いくつかの欠点があります。たとえば、従来の方法では、焼結プロセスに数時間かかる場合があります。これは、合成に費やされる時間を増加させるだけでなく、長時間の熱処理の影響下で揮発性を有する物質がそれらの中にある場合、出発化合物の組成の変化にもつながる。マイクロ波焼結法はマイクロ波範囲の材料の吸収特性に依存しますが、スパークプラズマ焼結法は追加の圧縮を必要とし、複雑な三次元形状のセラミック構造を作成するのが困難になります。

より近代的な方法(高速熱アニーリング、超高速およびフォトニック焼結)は、非常に高い加熱速度(最大10,000度/分)を備えていますが、他の欠点がないわけではありません。たとえば、超高速焼結法は、新しい材料の作成に関してはよく知られていないサンプルの電気的特性に依存し、フォトニック焼結と熱アニーリングの方法は加熱温度によって制限されます。さらに、それらは高価な機器の使用を必要とします。

メリーランド大学のLiangbingHu教授が率いるアメリカの科学者たちは、超高速高温焼結の方法を開発しました。そのプロセスは次のように構成されています。圧縮されたワークピース(塩または酸化物の粉末)が2つのカーボンストリップの間に配置され、電流によって加熱されます。この場合に放出される熱は、毎分最大104度の速度でワークピースの温度を上昇させます。この急速な加熱は、出発材料の蒸発と加熱界面材料との相互拡散を防ぎます。不活性雰囲気では、このようなシステムは摂氏3000度までの温度に達することができます。これは、ほとんどすべてのセラミック材料を作成するのに十分です。

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(A)新しい方法でセラミックを合成するプロセスの図。 (B)焼結プロセス開始前の室温、および(C)摂氏約1500度の温度でのワークピースの写真

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新しい方法の温度プロファイルと、異なる時間に電子顕微鏡を使用して取得したサンプル表面の画像(RT-室温)

超高速高温焼結プロセスの温度プロファイルは、3つの段階で構成されています。まず、ワークピースを約30秒で必要な温度まですばやく加熱します。到達した温度は約10秒間維持され、その間に粉末をセラミック材料に焼結する等温プロセスが行われます。次に、ヒーターをオフにした後、構造全体が数秒で室温まで冷却されます。著者は、これに追加の冷却を使用するかどうかを指定していません。したがって、合成プロセス全体は1分未満で完了します。

この方法をテストするために、研究者らは、燃料電池の電解質となる可能性のあるリチウムイオン伝導セラミックであるLi6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLZTO)などのいくつかのセラミック材料を合成しました。超高速高温焼結法によって得られた材料の特徴の中で、著者らは、従来の焼結によって得られたLLZTOサンプルと比較して、8.5±2マイクロメートルの比較的小さい粒子サイズと高い相対密度(約97パーセント)に注目しています。粒子サイズは13.5マイクロメートルであることが判明しました。これは、高速加熱により、材料が低温の領域をすばやく通過するためです。低温の領域では、圧縮せずに粒子の拡大がより顕著になります。

著者によると、彼らが開発した方法は、新しいセラミック材料を作成するために必要な時間を大幅に短縮します。この方法はスケーラブルであり、複数のサンプルを同時に成長させるために使用できます。これにより、複雑な形状と非平衡濃度の欠陥を持つ多層3次元セラミックオブジェクトの合成が可能になります。幾何学的に複雑なオブジェクトを作成するために、ワークピースは特別な3Dプリンターで事前に印刷されます。急速な加熱により、前駆体が合成ゾーンに継続的に供給される場合、拡張構造を成長させることが可能です。同時に、使用される加熱方法は、作成される材料の内部特性(たとえば、電気的)への依存を回避します。

先ほど、超高速焼結セラミック材料が獲得する異常な機械的特性についてお話しました。別の科学者グループは、酸化アルミニウムのナノセラミックフィルムが放射線の作用下で強度を高める能力を調査しました。これにより、新世代の原子炉の構造の保護コーティングとして使用できるようになります。

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