[发明专利]冷烧结陶瓷及复合材料

说明书

材料冷烧结方法包括：将至少一种颗粒形式的无机化合物(例如陶瓷)与可部分溶解该无机化合物的溶剂组合以形成混合物；以及对该混合物施加压力和低温，以使溶剂蒸发并使所述至少一种无机化合物致密化从而形成烧结材料。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年9月29日提交的美国临时申请No.62/234,389和2016年6月13日提交的美国临时申请No.62/349,444的权益，它们的全部公开内容通过引用的方式并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在国家科学基金会授予的基金No.IIP1361571的政府资助下完成的。政府对本发明有一定的权利。

技术领域

本公开涉及在低温下烧结含有或不含其他物质的无机化合物(例如陶瓷)。

背景技术

许多陶瓷及复合材料被烧结以降低孔隙率并提高诸如强度、导电性、半透明度、导热性和热容之类的材料性能。然而，许多烧结过程涉及高温(通常高于1,000℃)的应用以进行致密化并提高材料的性能。高温的使用会妨碍某些类型材料的制造，并增加材料制造成本或设备成本。另外，由于热稳定性、收缩开始温度和速率的差异，以及在高温下各组分的物理和化学不相容性，使得多材料体系的共烧结是困难的。

已知有某些用于烧结陶瓷的低温工艺，其可以解决与高温烧结相关的一些问题。例如在450℃和750℃之间烧制超低温共烧制陶瓷(ULTCC)。例如参见He等人的“Low-Temperature Sintering Li₂MoO₄/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄Magneto-Dielectric Composites forHigh-Frequency Application(用于高频应用的低温烧结Li₂MoO₄/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄磁电介质复合材料)”，J.Am.Ceram.Soc.2014:97(8):1-5。此外，Kahari等人描述了通过将水溶性Li₂MoO₄粉末润湿，将其压缩，并且在120℃对样品进行后处理，以提高Li₂MoO₄的介电性能。参见Kahari等人的J.Am.Ceram.Soc.2015:98(3):687-689。Kahari公开了其粉末的粒度小于180微米，但是更小的粒度会使得粉末的均匀润湿变得复杂，从而导致类粘土团簇的形成、密度不均、翘曲和开裂，因此，较大的粒度是有利的。还有一些研究通过使反应成分结合以在低温下合成陶瓷，从而制备陶瓷。例如参见US 8313802。这样的制备需要长时间(数小时至数天)以制造致密的陶瓷。

然而，人们仍然需要用于烧结陶瓷及复合材料的低温工艺。

发明内容

本发明的优点在于其是这样一种方法，该方法采用溶剂并在溶剂的沸点附近的温度下使材料致密化，其中该温度远低于典型的材料烧结温度(数百摄氏度)。有利地，本发明的方法可以使用水基溶剂以及不超过溶剂沸点+200℃的温度。

这些和其他优点至少部分地通过这样的烧结材料制备方法而得以实现，该方法为：将至少一种颗粒形式的无机化合物与可部分溶解该无机化合物的溶剂混合以形成混合物；以及对混合物加压和加热以使溶剂蒸发并且使所述至少一种无机化合物致密化，从而形成烧结材料。有利地，在不高于溶剂沸点+200℃的温度进行加热。本发明的冷烧结方法可以有利地在短时间内提供致密材料。