冷烧结陶瓷及复合材料制造技术

材料冷烧结方法包括：将至少一种颗粒形式的无机化合物(例如陶瓷)与可部分溶解该无机化合物的溶剂组合以形成混合物；以及对该混合物施加压力和低温，以使溶剂蒸发并使所述至少一种无机化合物致密化从而形成烧结材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】冷烧结陶瓷及复合材料相关申请的交叉引用本申请要求于2015年9月29日提交的美国临时申请No.62/234,389和2016年6月13日提交的美国临时申请No.62/349,444的权益，它们的全部公开内容通过引用的方式并入本文。关于联邦资助研究的声明本专利技术是在国家科学基金会授予的基金No.IIP1361571的政府资助下完成的。政府对本专利技术有一定的权利。
本公开涉及在低温下烧结含有或不含其他物质的无机化合物(例如陶瓷)。
技术介绍
许多陶瓷及复合材料被烧结以降低孔隙率并提高诸如强度、导电性、半透明度、导热性和热容之类的材料性能。然而，许多烧结过程涉及高温(通常高于1,000℃)的应用以进行致密化并提高材料的性能。高温的使用会妨碍某些类型材料的制造，并增加材料制造成本或设备成本。另外，由于热稳定性、收缩开始温度和速率的差异，以及在高温下各组分的物理和化学不相容性，使得多材料体系的共烧结是困难的。已知有某些用于烧结陶瓷的低温工艺，其可以解决与高温烧结相关的一些问题。例如在450℃和750℃之间烧制超低温共烧制陶瓷(ULTCC)。例如参见He等人的“Low-TemperatureSinteringLi2MoO4/Ni0.5Zn0.5Fe2O4Magneto-DielectricCompositesforHigh-FrequencyApplication(用于高频应用的低温烧结Li2MoO4/Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁电介质复合材料)”，J.Am.Ceram.Soc.2014:97(8):1-5。此外，Kahari等人描述了通过将水溶性Li2MoO4粉末润湿，将其压缩，并且在120℃对样品进行后处理，以提高Li2MoO4的介电性能。参见Kahari等人的J.Am.Ceram.Soc.2015:98(3):687-689。Kahari公开了其粉末的粒度小于180微米，但是更小的粒度会使得粉末的均匀润湿变得复杂，从而导致类粘土团簇的形成、密度不均、翘曲和开裂，因此，较大的粒度是有利的。还有一些研究通过使反应成分结合以在低温下合成陶瓷，从而制备陶瓷。例如参见US8313802。这样的制备需要长时间(数小时至数天)以制造致密的陶瓷。然而，人们仍然需要用于烧结陶瓷及复合材料的低温工艺。
技术实现思路
本专利技术的优点在于其是这样一种方法，该方法采用溶剂并在溶剂的沸点附近的温度下使材料致密化，其中该温度远低于典型的材料烧结温度(数百摄氏度)。有利地，本专利技术的方法可以使用水基溶剂以及不超过溶剂沸点+200℃的温度。这些和其他优点至少部分地通过这样的烧结材料制备方法而得以实现，该方法为：将至少一种颗粒形式的无机化合物与可部分溶解该无机化合物的溶剂混合以形成混合物；以及对混合物加压和加热以使溶剂蒸发并且使所述至少一种无机化合物致密化，从而形成烧结材料。有利地，在不高于溶剂沸点+200℃的温度进行加热。本专利技术的冷烧结方法可以有利地在短时间内提供致密材料。本专利技术的另一个方面包括用于制备烧结复合材料的方法，该方法包括：将至少一种颗粒形式的无机化合物和至少一种其他物质与可部分溶解无机化合物的溶剂相混合以形成混合物；以及对该混合物加压和加热以使溶剂蒸发，并且使所述至少一种无机化合物致密化，从而形成复合材料。有利地，在不高于溶剂沸点+200℃的温度进行加热。其他物质可以是不同的无机化合物，或者其可以是(例如)聚合物、金属、或者诸如玻璃或碳纤维之类的其他材料。有利地，本专利技术的低温烧结能够对在高于200℃的温度下会发生降解或氧化的其他物质进行冷烧结。本专利技术的另一个方面包括用于在基材上制备烧结无机化合物的方法。该方法包括在基材(例如由金属、陶瓷、聚合物或它们的组合构成的基材)上沉积无机化合物(例如陶瓷)。在一些实施方案中，无机化合物可以沉积在多个基材上以形成层叠体。溶剂可以在无机化合物沉积之前、之中或之后与其相混合。在其他实施方案中，该方法包括：将无机化合物(例如陶瓷)沉积在基材上，随后(例如)通过将所沉积的陶瓷暴露于水性溶剂从而使无机化合物与溶剂相结合，以形成经润湿的沉积陶瓷。可以对经润湿的沉积陶瓷进行加压和加热，以烧结位于基材上的陶瓷。有利地，施加的温度可以为200℃以下，施加的压力可以为5,000MPa以下，并且可以在短时间内将陶瓷烧结至85％以上的相对密度。本专利技术的实施方案包括以下特征中的单独一个特征，或者其中多个特征的组合。例如，本公开的冷烧结适用于在溶剂中谐溶的无机化合物以及在溶剂中不谐溶的无机化合物。对于无机化合物，溶剂可以包括一种或多种源化合物。在一些实施方案中，所述至少一种无机化合物或陶瓷的粒度可以小于100μm，或者小于50μm、30μm、20μm、10μm，甚至小于约5μm或小于约1μm，或者小至纳米尺度范围。在其他实施方案中，溶剂可以包括具有可溶性盐的水、以及具有一种或多种可溶性盐或源化合物的一种或多种C1-12醇、酮、酯和/或有机酸，其中溶剂的沸点低于约200℃。在其他一些实施方案中，在低于约250℃、例如低于约200℃或低于约150℃、例如低于约100℃的温度下对混合物加热。在其他一些实施方案中，通过将无机化合物暴露于溶剂的受控的相对气氛(例如当溶剂为水基溶剂时，暴露于潮湿气氛)，或者通过将溶剂与无机化合物混合(诸如混合包含至少50重量％的水的溶剂)，从而使无机化合物与溶剂组合。本专利技术的冷烧结方法可以有利地提供致密的烧结材料，例如致密的无机化合物、陶瓷、复合材料。本专利技术的方法可以使材料致密化至其相对密度大于60％，例如大于80％，如85％以上，甚至大于90％。此外，本专利技术的冷烧结方法可以在短时间内使烧结材料致密化。例如，本专利技术的冷烧结方法在小于180分钟(例如小于120分钟，如60分钟以下)的时间内使烧结材料致密化至其相对密度为85％以上、甚至为90％以上。在一些实施方案中，本专利技术的冷烧结方法(例如)在不超过30分钟的时间内使烧结材料致密化至其相对密度为至少85％、甚至至少90％。根据以下仅示出和描述了本专利技术的优选实施方案的详细描述，并仅通过对实施本专利技术所考虑的最佳模式进行说明，从而使本专利技术的其他优点对于本领域技术人员而言变得显而易见的。将认识到，本专利技术能够具有其他不同的实施方案，并且其若干细节能够在各种明显的方面进行修改，而均不脱离本专利技术。因此，本专利技术的附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。附图的简要说明参照附图，在本文中具有相同附图标记的元素始终表示相似的元素，并且其中：图1示出了根据本专利技术的实施方案的可用于冷烧结方法的基本机理。该方法是尚未被用于烧结陶瓷材料的制造中的基础且独特的液相烧结方法。图2表示可以冷烧结应用的主要多样性及整合。图3a-3e是各种形式的K2Mo2O7的SEM显微照片。这些图片示出了通过改变工艺条件中的时间、温度和压力而带来的微结构演变的一个例子。图4a至4c示出了对于时间、温度和压力这些变量的致密化趋势。例如，图4a到4c为示出了在各种条件下烧结的K2Mo2O7陶瓷的相对密度的图。图4a是在不同压力以及120℃下烧结5分钟的K2Mo2O7陶瓷的相对密度的图；图4b是示出了在不同温度以及350MPa的压力下烧结5分钟的K2Mo2O7陶瓷的相对密度的图；以及图4c是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备烧结材料的方法，该方法包括：将至少一种颗粒形式的粒度小于50μm的无机化合物与可部分溶解所述无机化合物的溶剂组合以形成混合物；以及对所述混合物施加压力并加热，以使所述溶剂蒸发并且使所述至少一种无机化合物致密化，从而形成所述烧结材料，其中，所述加热在小于或等于所述溶剂的沸点+200℃的温度下进行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.29 US 62/234,389;2016.06.13 US 62/349,4441.一种制备烧结材料的方法，该方法包括：将至少一种颗粒形式的粒度小于50μm的无机化合物与可部分溶解所述无机化合物的溶剂组合以形成混合物；以及对所述混合物施加压力并加热，以使所述溶剂蒸发并且使所述至少一种无机化合物致密化，从而形成所述烧结材料，其中，所述加热在小于或等于所述溶剂的沸点+200℃的温度下进行。2.一种制备烧结复合材料的方法，该方法包括：将至少一种颗粒形式的无机化合物和至少一种其他物质与可部分溶解所述无机化合物的溶剂组合以形成混合物；以及对所述混合物施加压力并加热，以使所述溶剂蒸发并且使所述至少一种无机化合物致密化，从而形成所述复合材料，其中，所述加热在小于或等于所述溶剂的沸点+200℃的温度下进行。3.一种制备烧结材料的方法，该方法包括：将至少一种颗粒形式的无机化合物与可部分溶解所述无机化合物的溶剂组合以形成混合物，其中所述溶剂包含一种或多种源化合物；以及对所述混合物施加压力并加热，以使所述溶剂蒸发并且使所述至少一种无机化合物和其他物质致密化，以形成所述复合材料，其中，所述加热在小于或等于所述溶剂的沸点+200℃的温度下进行。4.一种在基材上制备烧结材料的方法，该方法包括：将陶瓷沉积在基材上，随后通过将所沉积的陶瓷暴露于水性溶剂，从而形成润湿的沉积陶瓷；以及对所述润湿的沉积陶瓷施加压力并加热，以烧结位于所述基材上的所述陶瓷，其中，所述加热不超过200℃，所述加压的压力不超过5,000MPa，并且将所述陶瓷烧结至相对密度为85％以上。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：克莱夫·A·兰德尔，郭靖，阿曼达·贝克，迈克尔·拉纳甘，郭汉铮，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US