سرامیک‌ها دسته مهمی از مواد هستند که به علت پایداری حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا، کاربردهای فراوانی در زمینه الکترونیک و ذخیره انرژی دارند. فرآیند سینترینگ نیز یک تکنولوژی بسیار حیاتی برای ساخت قطعات سرامیکی است که با استفاده از حرارت بالا، فرآیند تبدیل پودرهای سرامیکی به قطعات سرامیکی را انجام داده و با کاهش میزان تخلخل، خواص مکانیکی قطعه به دست آمده را افزایش می‌دهد.
برای سینتر معمول سرامیک‌های اکسیدی خالص، نیاز به زمان طولانی (تقریباً 20 ساعت) و دمای بسیار بالا است. متأسفانه این شرایط باعث طولانی شدن فرآیند سینتر و ایجاد مشکلاتی از قبیل کنترل ضعیف خروج عناصر فرار از ترکیب می‌گردد.
پروفسور Liangbing Hu استاد دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه Maryland می‌گوید:« طی مطالعات انجام شده بر روی باطری‌های حالت جامد، با چالش‌های بسیار زیادی در ساخت الکترولیت حالت جامد از طریق فرآیند سینتر معمول مواجه شدیم که دلایل این چالش‌ها طولانی شدن زمان سینتر، خروج عناصر فرار و تخلخل بالا بوده است که در نهایت منجر به عملکرد ضعیف الکترولیت حالت جامد و اختلال در عملکرد الکتروشیمیایی باطری می‌شد».
بنابراین، جهت رفع این چالش‌ها از روش سینتر سریع دما بالا (Ultrafast high-temperature sintering) برای ساخت الکترولیت حالت جامد چگال (SSEs) استفاده شده است.
روند انجام کار به این صورت بوده است که قرص‌های سرامیکی خام پرس شده را بین دو المنت کربنی قرار داده و با استفاده از فرآیند Joule heating محیط یکنواخت دما بالا برای انجام فرآیند سینتر سریع محیا شده است.
نرخ گرمایش و سرامیش بالا در این فرآیند باعث کوتاه شدن زمان سینتر به کمتر از 10 ثانیه و دستیابی به دمای بالا تا 3000 درجه سانتی گراد شده است.
از این روش برای سینتر ساختارهای پرینت سه بعدی و چندلایه بدون تغییر ابعادی نیز می‌توان استفاده نمود.
نتایج پژوهش‌های تیم تحقیقاتی پروفسور Liangbing Hu در مجله Science چاپ شده است.
لینک دسترسی به مقاله:
دکتر Chengwei Wang نویسنده اول مقاله می‌گوید:« با بهینه‌سازی فرآیند سینتر، UHS می‌تواند به یک روش جهانی برای سرعت‌بخشی به ساخت قطعات سرامیکی دما بالا تبدیل شود.
هیجان‌انگیزترین نتیجه این مقاله توانایی سینتر سرامیک‌ها در 10 ثانیه است که 10.000 بار سریعتر از فرآیند سینتر معمول (~ 20 ساعت) است. با بهره‌گیری از این فرآیند از خروج عناصر فرار مانند (Li, Na, k و…) ممانعت شده و باعث ایجاد عملکرد الکتروشیمیایی عالی در باطری حالت جامد می‌گردد».
پروفسور Hu افزود:« با توجه به کنترل دقیق محتوا، دمای بالا، نفوذ عناصر و ساختار یکپارچه، از فرآیند UHS می‌توان برای تولید ساختارهای چندلایه، پرینت سه بعدی، کامپوزیت، سرامیک‌های roll to roll و مواد غیراکسیدی دما بالااستفاده کرد».
در مرحله بعدی تحقیقات، تیم از فرآیند UHS برای ساخت مواد غیراکسیدی دما بالا مانند فلزات، کاربیدها، بوریدها، نیتریدها و سیلیکات‌ها استفاده می‌نماید.
همچنین ماهیت فوق سریع، دور از تعادل فرآیند UHS می‌تواند موادی با غلظت غیرتعادلی از عیوب نقطه‌ای، نابه‌جایی ها، فازهای شبه پایدار و یا سایر عیوب تولید کند که می‌تواند منجر به ایجاد خواص مطلوب گردد.
پروفسور Hu نتیجه‌گیری می‌کند که :« چالش اساسی، بزرگ کردن ستاپ UHS برای ساخت بسیاری از سرامیک‌ها در مدت 10 ثانیه استـ».
منبع: