近日，俄罗斯科研团队一项在纯水中以冷烧结（Cold Sintering Process，CSP）方式制备多孔氧化铝陶瓷的成果发表在陶瓷“ceramics”期刊。该研究成果首次展示了在纯水的情况下用冷烧结工艺制备多孔氧化铝陶瓷。
多孔氧化铝陶瓷广泛应用于各种应用，包括过滤器、基板和生物医学材料，它的制备路线有多种，例如部分烧结、牺牲模板、复制技术、直接发泡和3D打印。但是，这些方法都涉及多个工序以及1500℃以上的高温烧结，这需要昂贵的设备和高能耗。
冷烧结：先进陶瓷材料的新型烧结技术
2016年, 美国宾夕法尼亚州立大学的Randall团队在水热热压烧结的基础上提出了一种新型超低温烧结技术，并命名为冷烧结技术(CSP)。
冷烧结工艺需在陶瓷粉体中加入适量的液相（水或挥发性溶液），均匀润湿颗粒。然后对混合施压压力（350-500MPa）将颗粒压实，使粉体表面物质得到分解，部分溶解在溶液中。最后在外加压力和热源的作用下对系统保持压缩，直至液相完全排除，粉末烧结成块体。与此同时，粉末的溶解度进一步提高，形成过饱和液体，开始在颗粒间间隙与气孔中发生沉淀反应。
与传统烧结技术相比，冷烧结技术相对优势较多：
（1）冷烧结工艺可以在120-900℃温度条件下制备致密的陶瓷，温度相比于传统烧结或先进烧结技术显著降低。即较低温度下实现陶瓷致密化，显著降低能耗；
（2）冷烧结工艺可以抑制陶瓷烧结过程中晶粒的异常生长，得到晶粒尺寸均匀细密的陶瓷；
（3）冷烧结工艺可以有效减少高温烧结过程中元素的挥发。
该团队将γ-Al(OH)3(95wt.%)和α-Al2O3(5wt.%)混合物放入装有圆形加热器和保温层的模具中，加入蒸馏水，在90-350MPa的压力下进行单轴压制，加热至380-450℃，恒温保压30min，冷却至室温后从模具中取出陶瓷样品。实验结果显示，初始的γ-Al(OH)3粉末脱水，形成γ-AlOOH和少量χ-Al2O3相。后续处理形成细长的γ-AlOOH晶粒，聚结成板状结构，最终转变为α-Al2O3晶粒。然而，较高的压力会阻γ-AlOOH脱水并阻碍α-Al2O3的形成。
本次研究所制备的陶瓷开孔率达36%，证明CSP法制备多孔氧化铝陶瓷在过滤器、热绝缘体以及聚合物和金属复合材料中的部件等应用方面具有广阔的潜力。
来源：《ceramics》期刊