2022年，美国马里兰大学胡良兵教授团队在《Small》上发表了题为“Rapid Pressureless Sintering of Glasses”的论文，通过超快速高温烧结（UHS）技术，在1600 K的高温下，10秒内实现了高质量二氧化硅玻璃的快速无压烧结。烧结后的玻璃具有超过98%的相对密度和约90%的可见光透过率，展示了该技术在高效制造高质量玻璃材料方面的巨大潜力。
图1. 在几秒钟内超快高温烧结玻璃
【总结】
（1）快速烧结时间：该方法使用超快速高温烧结（UHS）技术，将玻璃烧结时间缩短至仅约10秒，比传统方法快1到3个数量级。传统方法通常需要几个小时的热处理。
（2）高密度和高透明度：通过UHS技术烧结的玻璃，具有相对密度超过98%和约90%的高可见光透过率。烧结过程中，无需施加机械压力，仅利用炭加热器的热辐射和传导即可实现高质量的烧结效果。
（3）简化设备和工艺：UHS技术不需要高电场或机械压力，设备配置简单且成本较低。
（4）广泛的材料适用性：除了纯二氧化硅玻璃，UHS技术还可以用于烧结其他功能性玻璃，如掺杂铟锡氧化物（ITO）的玻璃和钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷。这表明该方法在快速制造高质量光学材料方面具有广泛的应用潜力。
（5）金属离子掺杂：该方法允许通过溶液基掺杂工艺快速掺杂金属离子，从而制造出不同颜色的玻璃。本文展示了通过掺杂钴、铁和铜离子，分别制备出蓝色、黄色和红色玻璃的过程，证明了该技术的灵活性和实用性。
（6）高温绝缘玻璃的制造：UHS技术被应用于制造高温绝缘玻璃，通过在玻璃中嵌入红外等离子体纳米颗粒（如ITO），减少热辐射损失，具有在集中太阳能发电和高温观察窗中的应用前景。
（7）优化烧结条件：通过研究不同的烧结时间和温度，确定了最佳烧结条件（约1600 K，5-20秒），确保玻璃具有高密度和高透明度。
图2. 烧结二氧化硅玻璃的UHS工艺
【研究背景】
（1）二氧化硅玻璃因其优异的物理化学性能（如高透明度、低热膨胀系数、长时间的化学耐久性和高硬度）广泛应用于光学、电子和化工制造等领域。
（2）传统的二氧化硅玻璃制造方法通常涉及将天然石英或硅化合物前驱体在高温下熔融（2273至2573 K），然后淬火。这种方法由于纯二氧化硅的高熔点（≈2000 K），需要高能量输入，且制造过程能耗巨大。常规固态烧结虽然可以降低加工温度，但需要长时间的热处理（通常数小时）才能获得致密的二氧化硅玻璃。例如，通过凝胶铸造和烧结可在1373 K下合成透过率约为83%的二氧化硅玻璃，但烧结时间仍长达3小时。
（3）新近研究开发了多种新方法来合成二氧化硅玻璃，包括火花等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）、闪光烧结（Flash Sintering, FS）和激光烧结。火花等离子烧结技术可以在较短时间内（例如2-10分钟）和较低温度范围（例如1073-1883 K）内获得致密玻璃，但需要高压和高脉冲直流电，成本较高。闪光烧结技术由于玻璃粉末的高电阻，需要施加高电场（例如高达3000 V/cm），尽管在数秒内完成致密化，但需要长时间的预热，整体处理时间较长。激光烧结可以快速加热二氧化硅前驱体，但烧结速率受输出功率、扫描速度和光斑大小的影响，且烧结后的多孔结构导致透明度低。
（4）近期，本研究团队开发了一种超快速高温烧结（UHS）方法，可快速合成和烧结固态电解质、金属、荧光转换器和陶瓷材料。本研究旨在通过UHS技术解决高质量玻璃快速烧结中的挑战，提供一种简便快速的玻璃制造新策略，克服现有方法的时间长、设备复杂和成本高的问题。
【研究方法】
（1）材料制备：使用粒径为约11纳米的二氧化硅纳米颗粒作为起始材料，通过冷等静压（CIP）将其压制成颗粒。为制备不同颜色的玻璃，通过溶液浸渍法将金属盐（如氯化钴、氯化铁、氯化铜）的乙醇溶液掺杂到压制的二氧化硅颗粒中。
（2）UHS烧结过程：使用炭加热器（碳毡）作为热源，通过焦耳加热快速升温，达到约1600 K的高温。在烧结过程中，碳毡加热器快速加热压制的二氧化硅颗粒，通过热辐射和传导实现致密化。典型的烧结过程包括从室温快速升温至1600 K（约10秒），并在该温度下等温保持约10秒，然后快速冷却。
（3）实验设备：碳毡加热器被固定在石墨片上，通过可调开关电源提供电流（0-50A，0-100V），控制温度。整个烧结过程在充满氩气的手套箱中进行，以防止氧化。
（4）温度测量和控制：使用高速相机和灰体辐射校准测量碳加热器的温度，采用颜色比测温法计算三色通道（红、绿、蓝）的颜色比率，匹配灰体校准曲线进行温度估计。
（5）材料表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察烧结前后样品的微观结构。使用X射线衍射（XRD）分析样品的晶体结构。采用紫外-可见光谱仪测量烧结玻璃的透过率。进行三点弯曲测试测量烧结玻璃的抗弯强度。
（6）热性能测试：采用自制的激光-红外摄像系统测量样品的热导率。样品夹在两个铝块之间，通过蓝光激光加热顶部铝块，红外摄像机记录温度分布。利用有限元模型计算热导率，考虑辐射和对流热损失。
（7）实验变量的控制和优化：通过改变烧结时间和温度，系统研究了不同烧结条件对玻璃密度和微观结构的影响。详细研究了烧结时间（4秒至80秒）和温度（1300 K至1750 K）对玻璃致密度的影响，确定了最佳烧结条件（约1600 K，5-20秒）。
（8）功能性玻璃的制备和验证：通过UHS技术制备掺杂金属离子的彩色玻璃和具有红外吸收功能的绝缘玻璃，验证其在光学和高温应用中的潜力。
【研究结果】
（1）烧结时间显著缩短：通过超快速高温烧结（UHS）技术，二氧化硅玻璃的烧结时间被显著缩短至约10秒，比传统方法快1至3个数量级。与传统方法相比，UHS技术大幅减少了烧结时间，从而提高了生产效率。
（2）高密度和高透明度：烧结后的二氧化硅玻璃具有相对密度超过98%和约90%的高可见光透过率。研究表明，使用UHS技术可以在短时间内实现玻璃的高密度和高透明度，使其光学性能接近于商业浮法玻璃。
（3）简单设备配置：UHS技术使用碳加热器（碳毡），通过焦耳加热快速升温，无需机械压力或高电场，设备配置简单，成本较低。这与火花等离子烧结和闪光烧结等需要复杂设备和高成本的技术形成鲜明对比。
（4）金属离子掺杂和彩色玻璃制备：通过溶液浸渍法掺杂金属离子（如CoCl₂、FeCl₃和CuCl₂），在UHS过程中快速烧结，成功制备了蓝色、黄色和红色的彩色玻璃。研究结果表明，该方法可以在短时间内实现均匀掺杂和高透明度的彩色玻璃。
（5）高温绝缘玻璃的制备：在二氧化硅玻璃中嵌入铟锡氧化物（ITO）纳米颗粒，制备出具有高红外吸收性能的绝缘玻璃。研究表明，这种玻璃在3-5微米波长范围内表现出优异的红外吸收能力，适用于高温观察窗和太阳能集热器等应用。
（6）烧结条件的优化：研究了不同烧结时间（4秒至80秒）和温度（1300 K至1750 K）对玻璃密度和微观结构的影响，确定了最佳烧结条件为约1600 K，5-20秒。过长时间或过高温度会导致玻璃中出现封闭孔隙，降低密度。
（7）热性能的提升：UHS烧结后的二氧化硅玻璃热导率显著提高，达到1.46 W/m·K，接近商业熔融二氧化硅玻璃的热导率（1.38 W/m·K）。相比之下，未烧结的压制颗粒热导率仅为0.15 W/m·K，约为烧结玻璃的九分之一。
（8）不同形状和功能玻璃的制备：UHS技术不仅可以烧结不同形状的玻璃，还可以扩展应用于其他功能玻璃和透明陶瓷的制备。例如，研究成功烧结了掺钆钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷和其他掺杂材料的玻璃。
图3. 优化烧结条件，包括烧结时间和温度
【展望】
根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：
（1）优化UHS工艺参数：尽管本文确定了最佳烧结条件，但仍需进一步研究不同材料和掺杂物的最佳烧结参数。这包括更广泛的温度和时间组合，以优化各种玻璃和陶瓷材料的烧结效果。
（2）扩大材料应用范围：研究UHS技术在更多类型的玻璃和陶瓷材料上的应用潜力，包括不同的玻璃配方和新型功能性陶瓷材料，以评估其在光学、电子和高温应用中的适用性。
（3）功能性玻璃的进一步开发：探索掺杂更多种类的金属离子和纳米颗粒，以制造具有特殊光学、电学或热学性能的功能性玻璃。例如，研究其他过渡金属或稀土元素的掺杂效果。
（4）大规模生产的实现：研究如何将UHS技术从实验室规模扩展到工业规模，开发适用于大批量生产的设备和工艺，确保在保持高质量的同时实现高效生产。
（5）机械和物理性能测试：对UHS烧结玻璃和陶瓷的机械和物理性能进行更深入的研究，包括抗冲击性、耐磨性和热稳定性等，以确保其在实际应用中的可靠性和耐久性。
（6）环境影响评估：评估UHS技术在能源消耗和环境影响方面的优势，比较传统烧结方法和UHS方法在碳足迹和资源利用率方面的差异，优化工艺以减少环境负担。
（7）多功能复合材料的研究：研究将UHS技术应用于多功能复合材料的制造，通过组合不同材料实现多重功能，例如同时具有高强度、高透明度和高导电性的材料。
（8）计算模拟与实验结合：结合计算模拟和实验研究，深入理解UHS过程中的微观机制，建立烧结过程的模型，预测不同条件下的烧结结果，指导实验设计和参数优化。
（9）新型应用场景探索：探索UHS烧结材料在新型应用场景中的潜力，例如透明防护材料、光子器件和高效热管理材料等，开拓更多工业和技术应用领域。
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总经理：高丽竹 18610000351（微信同号）
https://doi.org/10.1002/smll.202107951
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