Professor Hiromi Nakano vid Toyohashi University of Technology har samarbetat med ett företag för att utveckla en liten, lätt lufttrycksstyrd atmosfärsugn som snabbt och enhetligt kan syntetisera periodiska strukturer av Li ₂ O-Nb ₂ O ₅ -TiO ₂ (LNT) fasta lösningsmaterial vid 3x vanligt tryck. Den underliggande mekanismen upptäcktes med hjälp av detaljerad sammansättning/strukturanalys. Eftersom sintringsprocessen reduceras med en fjärdedel jämfört med konventionella elektriska ugnar, denna teknik kan även appliceras på andra material.

Lufttryckskontrollatmosfärsugnen är en sintringsugn som använder ett vanligt 100 V AC-uttag och sparar upp till 800 W energi. Med denna ugn, trycksatt gas tillförs/styrs med hjälp av en kompressor eller gasflöde och material kan värmas upp till 1, 100 grader C. (FIG. 1)

För att verifiera prestandan hos denna ugn, den aktuella studien fokuserade på LNT solida lösningar. Professor Nakano och hennes team har arbetat med LNT solida lösningar i många år, forska om deras elektriska egenskaper och användning som ett värdmaterial av fosfor, och hade redan fått grundläggande data om materialet i elektriska ugnar och millimetervågsvärmesystem. Professor Nakano säger, "I ett särskilt formationsområde, detta material uppvisar en unik periodisk struktur (överbyggnad) känd som M-fasen i en självorganiserad formation. Denna överbyggnad har en trigonal LiNbO ₃ struktur som en matris och bildas genom att periodiskt infoga en korund [Ti ₂ O ₃ ] ²⁺ lager som ett sammanväxtlager för att dela matrisen." Med en konventionell elektrisk ugn, material som har en enhetlig överbyggnad kräver en lång sintringsprocess för att syntetiseras. Om dessa material kunde syntetiseras enhetligt på kortare tid, de skulle kunna användas mer allmänt som praktiska material.

Hur exakt uppnåddes snabb syntes i denna studie? Det är allmänt känt att en syrevakansmekanism är dominant vid låga syrepartialtryck och katjonvakans är dominant vid höga syrepartialtryck. Användningen av lågt gastryck för denna studie ledde till att teamet upptäckte att det finns en syrediffusionsmekanism som involverar interstitiellt syre trots dominansen av lediga katjoner. Såsom visas i FIG. 2, Ti-valensen ändras från Ti ⁴⁺ till Ti ³⁺ vid sammanväxtskiktet för att orsaka syrevakans. Sedan, interstitiellt syrgas främjar syrediffusion längs riktningen för sammanväxtskiktet precis som bollar på ett biljardbord. Som ett resultat, kornformerna blir anisotropa i kornens tillväxtriktning och plattliknande korn bildas.

Professor Nakano säger, "I början av utvecklingen, Jag övervägde snabb sintring med en annan anordning eftersom jag trodde att det inte fanns något sätt att snabb sintring kunde utföras med en lufttryckskontrollugn vid ungefär 3 gånger det vanliga trycket. Men en dag, en ingenjör på vårt forskningspartnerföretag Full-Tech Co. Ltd., genomförde ett experiment med denna ugn. Även om inga liknande experiment hade varit framgångsrika tidigare, det specifika experimentet den speciella dagen gav ett mycket jämnt material. Från och med då, Jag började utföra experiment i denna lufttryckskontrollugn under olika förhållanden för att slutligen bekräfta en minskning av sintringsprocessen. Dock, just då, det fanns mycket få rapporter om framgångsrik materialsyntes i sådana pressade områden, och jag tillbringade tre månader med att sålla genom publikationer för att försöka avslöja mekanismen bakom snabb sintring. Det var då jag deltog i en konferens där en inbjuden talare talade om syrediffusionsbeteende vid höga temperaturer, visar en video som förklarade deras simuleringsresultat. Det interstitiella syret spred syrejoner i ett material när materialet har syrevakanser ungefär som bollar på ett biljardbord när de träffas. Så fort jag såg den videon, Jag satte ihop två och två och insåg att det var mekanismen bakom snabb sintring.

"För närvarande, vi funderar på att tillämpa denna teknik på andra material som tar lång tid att sintra i en lufttryckskontrollerad atmosfärsugn. Detta material kan också användas som material för produkter inom olika områden såsom optiska kommunikationsenheter, olika sensorer och lysdioder."