Forskare vid University of Maryland (UMD) institution för materialvetenskap och teknik (MSE) har återuppfunnit en 26, 000 år gammal tillverkningsprocess till en innovativ metod för att tillverka keramiska material som har lovande tillämpningar för solid-state-batterier, bränsleceller, 3D-utskriftsteknik, och vidare.

Keramik används ofta i batterier, elektronik, och extrema miljöer – men konventionell keramisk sintring (en del av bränningsprocessen som används vid tillverkning av keramiska föremål) kräver ofta timmars bearbetningstid. För att övervinna denna utmaning, ett forskarlag i Maryland har uppfunnit en ultrasnabb högtemperatursintringsmetod som både möter behoven hos modern keramik och främjar upptäckten av nya materialinnovationer.

Studien, leds av Liangbing Hu, Herbert Rabin Distinguished Professor vid A. James Clark School of Engineering och chef för Center for Materials Innovation vid UMD, publicerades på omslaget den 1 maj Vetenskap . Chengwei Wang, en biträdande forskare i Hus grupp, fungerade som första författare i studien.

Konventionella sintringstekniker kräver lång bearbetningstid – det tar timmar för en ugn att värmas upp, sedan flera timmar till för att "baka" det keramiska materialet – vilket är särskilt problematiskt vid utvecklingen av elektrolyter för solid-state-batterier. Alternativa sintringstekniker (som mikrovågsassisterad sintring, gnistplasmasintring, och flashsintring) är begränsade av olika anledningar, ofta för att de är materialspecifika och/eller dyra.

Maryland-teamets nya metod för ultrasnabb högtemperatursintring erbjuder hög uppvärmning och hög kylhastighet, en jämn temperaturfördelning, och sintringstemperaturer på upp till 3, 000 grader Celsius. Kombinerad, dessa processer kräver mindre än 10 sekunders total bearbetningstid – mer än 1, 000 gånger snabbare än den traditionella ugnsmetoden för sintring.

"Med denna uppfinning, vi "smältade" en pressad grön pellet av keramiska prekursorpulver mellan två remsor av kol som snabbt värmde pelleten genom strålning och ledning, skapa en konsekvent högtemperaturmiljö som tvingade det keramiska pulvret att stelna snabbt, "Hu sa. "Temperaturen är tillräckligt hög för att sintra i princip vilket keramiskt material som helst. Denna patenterade process kan utökas till andra membran än keramik."

Studien genomfördes i nära samarbete med Yifei Mo (docent, UMD), J.C Zhao (professor och institutionsordförande, UMD), Howard Wang (besökande forskningsprofessor, UMD), Jian Luo (professor, UC San Diego), Xiaoyu Zheng (biträdande professor, UCLA), och Bruce Dunn (professor och institutionsordförande, UCLA).

"Ultrasnabb högtemperatursintring representerar ett genombrott inom ultrasnabb sintringsteknologi, inte bara på grund av dess allmänna tillämpbarhet på ett brett utbud av funktionella material, men också på grund av en stor potential att skapa bulkmaterial som inte är i jämvikt genom att behålla eller generera extra defekter, sa Luo.

Den snabba sintringstekniken kommersialiseras genom HighT-Tech LLC, ett UMD spinoff-företag med fokus på en rad högtemperaturteknologier.

"Denna nya metod löser det viktigaste flaskhalsproblemet i beräkningar och AI-guided material upptäckt, ", sade Mo. "Vi har möjliggjort ett nytt paradigm för materialupptäckt med en aldrig tidigare skådad accelererad takt."

"Vi är glada över att se pyrolystiden minskas från tiotals timmar till några sekunder, bevara de fina 3-D-tryckta strukturerna efter snabb sintring, " sa Zheng.