[發明專利]高溫燒結系統和方法

在審

• 申請號: 202080036746.1
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN114206802A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 胡良兵;王成偉
• 申請（專利權）人: 馬里蘭大學派克分院
• 主分類號: C04B35/00
• 分類號: C04B35/00;C09K5/00;G01C19/5783
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 譚營營;胡彬

公開了快速高溫燒結系統和方法。一種制造方法包括將材料定位于距離第一導電碳元件0?1cm且距離第二導電碳元件0?1cm處，通過電流加熱第一導電碳元件和第二導電碳元件至500℃?3000的溫度，包括端點，并且通過用加熱的第一導電碳元件和加熱的第二導電碳元件加熱該材料一秒到一小時的時間段以制成燒結材料。還公開了快速高溫燒結系統和方法的其他變體。公開的系統和方法可以快速制造使用傳統燒結方法不可行的獨特結構。

相關申請的引證

本申請要求享有2019年5月17日提交的美國臨時專利申請第62/849,578號、2020年2月12日提交的美國臨時專利申請第62/975,483號以及2020年5月8日提交的臨時專利申請第63/022,083號的權益和優先權。上述專利申請的全部內容通過引用結合于本文中。

技術領域

本公開涉及燒結系統和方法，更具體涉及快速高溫燒結系統和方法。

背景技術

陶瓷由于其高熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性而廣泛用于電子、能量存儲和極端環境。陶瓷的燒結是能夠追溯到26000多年前的技術。傳統的陶瓷合成通常包括兩個步驟：由前體形成陶瓷的固態反應，和燒結而形成固體組分。每一步都需要高溫和數小時的處理時間，這能夠導致不希望的不均勻的晶粒生長，并成為大量發現先進陶瓷材料的障礙。燒結時間長也是開發新型陶瓷類固態電解質(SSE)的重要問題，由于燒結過程中Li和Na的劇烈波動，這對于提高能源效率和安全性的新型電池而言是至關重要的。

由于加熱元件的限制，傳統燒結方法的過程溫度通常限制于約1200℃。采用特殊設計的石墨爐，溫度能夠達2000℃。然而，整體爐(bulk furnaces)的溫度和溫度分布難以控制，溫度上升和冷卻速度延長。龐大且密封的設備也難以監控和研究以了解改進的可能性，這會導致長迭代的試錯過程，其嚴重限制材料，尤其是陶瓷、玻璃和金屬材料的開發。

在這方面已經進行大量努力致力于創新燒結技術的開發，如微波輔助燒結，放電等離子體燒結(SPS)和快速燒結。然而，微波輔助燒結根本上取決于材料的微波吸收特性，限制了其普適性。SPS技術需要模具以在燒結時壓制陶瓷，這限制了產品的幾何形狀和可縮放性，并且由于施加的壓力不適合燒結復雜的3D結構，并且其不能同時燒結多個樣品。最近開發的快速燒結方法顯示出至多達約10,000℃/min的高加熱速率。然而，其通常需要昂貴的Pt電極，并且難以應用于具有復雜幾何結構(例如，3D結構)的樣品。具體而言，特定的快速燒結條件在很大程度上取決于材料的電氣特性，當材料的特性未知時，限制了其在高產量加工中的適用性。因此，有興趣開發和改進能夠更普遍地應用于更高產量加工的燒結技術。

發明內容

本公開涉及快速高溫燒結系統和方法。本公開的方面提供了新型非材料特異性的超快節能燒結技術，其可以應用于不同的材料而可以實現大范圍技術應用的塊狀陶瓷的高產量制造。

根據本公開的方面中，一種制造方法包括將材料定位于距第一導電碳元件0-1cm處且距第二導電碳元件0-1cm處；通過電流將第一導電碳元件和第二導電碳元件加熱至500-3000℃的溫度(包括端值)；通過將材料用加熱的第一導電碳元件和加熱的第二導電碳元件加熱一秒至一小時的時間段而制造燒結材料。

在該方法的各個實施方式中，該方法包括開始加熱第一導電碳元件和第二導電碳元件，和第一導電碳元件和第二導電碳元件在開始加熱的三十秒內達到500-3000℃的溫度(包括端值)。

在該方法的各個實施方式中，第一導電碳元件和第二導電碳元件中的至少一個至少部分與該材料接觸，并且該方法還包括施加壓力以在材料加熱期間至少部分地使第一導電碳元件和第二導電碳元件中的至少一個壓靠該材料。

在該方法的各個實施方式中，該方法包括將材料保持于傳送帶上，其中第一導電碳元件位于傳送帶的一部分的上方，并且其中第二導電碳元件位于以下中的一種：傳送帶的一部分之下的位置，或作為傳送帶的一部分，并且其中定位材料包括推進傳送帶以在第一導電碳元件和第二導電碳元件之間傳送該材料。