Wetenschappers van het Department of Materials Science and Engineering (MSE) van de University of Maryland (UMD) hebben een 26, 000 jaar oud productieproces in een innovatieve benadering voor het vervaardigen van keramische materialen met veelbelovende toepassingen voor solid-state batterijen, brandstofcellen, 3D-printtechnologieën, en verder.

Keramiek wordt veel gebruikt in batterijen, elektronica, en extreme omgevingen, maar conventioneel sinteren van keramiek (onderdeel van het bakproces dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van keramische objecten) vereist vaak uren aan verwerkingstijd. Om deze uitdaging te overwinnen, een onderzoeksteam uit Maryland heeft een ultrasnelle sintermethode bij hoge temperatuur uitgevonden die zowel voldoet aan de behoeften van moderne keramiek als de ontdekking van nieuwe materiaalinnovaties bevordert.

De studie, geleid door Liangbing Hu, Herbert Rabin Distinguished Professor van de A. James Clark School of Engineering en directeur van het Center for Materials Innovation aan de UMD, werd gepubliceerd op de omslag van 1 mei van Wetenschap . Chengwei Wang, een assistent-onderzoeker in de groep van Hu, diende als eerste auteur van het onderzoek.

Conventionele sintertechnieken vereisen een lange verwerkingstijd - het duurt uren voordat een oven is opgewarmd, dan nog enkele uren om het keramische materiaal te 'bakken', wat vooral problematisch is bij de ontwikkeling van elektrolyten voor vastestofbatterijen. Alternatieve sintertechnologieën (zoals sinteren met microgolven, vonk plasma sinteren, en flash-sintering) zijn om verschillende redenen beperkt, vaak omdat ze materiaalspecifiek en/of duur zijn.

De nieuwe methode van het Maryland-team voor ultrasnel sinteren bij hoge temperatuur biedt hoge verwarmings- en hoge koelsnelheden, een gelijkmatige temperatuurverdeling, en sintertemperaturen tot 3, 000 graden Celsius. gecombineerd, deze processen vereisen minder dan 10 seconden totale verwerkingstijd—meer dan 1, 000 keer sneller dan de traditionele ovenbenadering van sinteren.

"Met deze uitvinding we 'sandwichten' een geperste groene pellet van keramische precursorpoeders tussen twee stroken koolstof die de pellet snel verwarmden door straling en geleiding, het creëren van een consistente omgeving met hoge temperaturen die het keramische poeder dwong om snel te stollen, Hu zei. "De temperatuur is hoog genoeg om in principe elk keramisch materiaal te sinteren. Dit gepatenteerde proces kan worden uitgebreid naar andere membranen dan keramiek."

Het onderzoek is uitgevoerd in nauwe samenwerking met Yifei Mo (universitair hoofddocent, UMD), J.C Zhao (hoogleraar en afdelingsvoorzitter, UMD), Howard Wang (bezoekend onderzoeksprofessor, UMD), Jian Luo (hoogleraar, UC San Diego), Xiaoyu Zheng (assistent-professor, UCLA), en Bruce Dunn (hoogleraar en afdelingsvoorzitter, UCLA).

"Ultrasnel sinteren bij hoge temperatuur vertegenwoordigt een doorbraak in ultrasnelle sintertechnologieën, niet alleen vanwege de algemene toepasbaarheid op een breed scala aan functionele materialen, maar ook vanwege een groot potentieel om niet-evenwichtige bulkmaterialen te creëren door het behouden of genereren van extra defecten, ' zei Luo.

De snelle sintertechnologie wordt gecommercialiseerd via HighT-Tech LLC, een UMD-spin-offbedrijf met een focus op een reeks hogetemperatuurtechnologieën.

"Deze nieuwe methode lost het belangrijkste knelpuntprobleem op bij het ontdekken van berekeningen en AI-geleide materialen, " zei Mo. "We hebben een nieuw paradigma voor materiaalontdekking mogelijk gemaakt met een ongekend versneld tempo."

"We zijn verheugd om te zien dat de pyrolysetijd is teruggebracht van tientallen uren tot enkele seconden, behoud van de fijne 3D-geprinte structuren na snel sinteren, ' zei Zheng.