文章导读
研究进展
该课题组通过使用开放式超快速高温烧结（OUHS）通过极高的升温/降温速率（>10000 K min⁻¹）和短暂的高温保持时间（<10 s），克服了传统烧结工艺的限制，成功抑制了晶粒长大，并提高了氧化物纤维的致密性和力学性能如图1所示。该工艺的核心优势在于其能够快速通过物质表面扩散温度区间，避免晶粒粗化，并通过高温下的快速物质迁移实现致密化，从而减少孔隙聚集。
图1：a) OUHS设备示意图。b,c) 在恒定温度1673K下，设备温度场的模拟。
OUHS在不同类型的氧化物纤维制备中都表现出优异的性能提升。例如，在3YSZ纤维的烧结过程中，OUHS处理的纤维拉伸强度达到了2.33 GPa，显著高于传统烧结工艺中的1.17 GPa, 如图2所示。
图2：通过在1673 K下烧结以不同升温速率制备的3YSZ连续纤维的特性。采用5 Kmin−1升温速率制备的样品使用坩埚炉烧结，其他则使用OUHS设备进行烧结。a) XRD图案，b) 颗粒尺寸，c) 拉伸强度和曲率半径，d) 应力-应变曲线。e) 传统烧结（TS）和f) OUHS制备的纤维轴向SEM图像。
如图3所示，该研究还揭示了OUHS工艺的独特优势：通过快速烧结，纤维的晶粒生长得到了有效控制，内部孔隙得到了显著减少。尤其是在高温环境下，OUHS能够避免传统烧结中常见的晶粒粗化和孔隙聚集问题。此外，OUHS还能够通过调控烧结温度和时间，精确控制材料的晶相结构，这为开发新型功能材料提供了新的可能性。。例如，在TiO₂纤维的烧结中，OUHS能够保持其亚稳态晶相，从而提高材料的力学，电学和光学性能。
此外，OUHS还在氧化钛（TiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）等其他多晶氧化物纤维的制备中表现出优异的性能, 如图4所示。通过OUHS，研究人员能够显著减少纤维的晶粒尺寸，同时改善晶界的均匀性，从而提高材料的抗拉强度和韧性。OUHS的多材料适用性和工艺灵活性使其能够适用于多种不同类型的氧化物纤维制备。无论是传统的氧化锆纤维，还是新型的氧化铝、氧化钛纤维，OUHS都能够通过优化烧结参数实现性能提升。这为高性能多晶氧化物纤维的批量生产和实际应用提供了广阔的前景。OUHS工艺不仅在实验室环境中表现出优异的性能提升，在实际应用中也展现出巨大的潜力。随着对高性能材料需求的不断增加，OUHS作为一种快速、灵活且高效的烧结方法，将在多个领域中得到广泛应用。
图4：照片（第一列），SEM 图像（第二列）和拉伸强度（第三列）分别是 a) 3YSZ，b) TiO2，c) HfO2，d) Al2O3和 e) Y2O3纤维膜的 OUHS (10 000 K min−1) 和 TS (5 K min−1) 制备。 第一和第二列中的数据指的是1773K 的烧结温度。
总结和展望
综上所述， 开放式超快速高温烧结（OUHS）是一种新型烧结技术，通过极高的升温/降温速率和短暂的高温保持时间，有效克服了传统烧结工艺中的晶粒长大和孔隙聚集问题。OUHS不仅能够显著改善氧化物纤维的微观结构和力学性能，还能够通过调控烧结参数实现材料晶相结构的精确控制。研究表明，OUHS在3YSZ、TiO₂、Al₂O₃等多种多晶氧化物纤维的制备中表现出优异的性能提升。随着对高性能材料需求的不断增加，OUHS有望在航空航天、电力、柔性电子和催化等多个领域中得到广泛应用。其高效的烧结过程、广泛的材料适用性和优异的性能提升使其成为未来高性能氧化物纤维制备中的一种关键技术。
https://doi.org/10.1002/adma.202412139
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