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自古以来，陶瓷生产最关键的方面之一就是在1000度或更高的温度下在窑炉中烧制陶瓷。 事实上，它是陶瓷生产中最重要的方面之一。 没有这个过程，陶瓷根本不能称为陶瓷，最多只能算是粘土坯料。 因此，自古以来，制作陶瓷的艺术就被称为“火”。
然而，近年来，陶瓷烧成技术中出现了一个新名词，称为“冷烧结”。 顾名思义，陶瓷是在没有热量或在非常低的温度下烧制的。 当然，这只是字面意思。 究竟什么是“冷烧结”？恐怕大家都不清楚。
今天我们就来谈谈“冷烧结”。
在谈到“冷烧结”之前，我们首先要了解另一种烧制陶瓷的技术，叫做“液相烧结”。
所谓“液相烧结”，就是在陶瓷烧成时，将坯体中的某些成分熔化成液体。 这样做有什么好处？主要有两个功能：一是使体内物料易于流动，填补空隙;第二种是让一部分物质溶解在液相中，然后在另一个地方沉淀。 这两种作用的最终结果是大大加速了坯体内部物质的迁移，使陶瓷可以在相对较低的温度下烧结并坚固。 比如我们常见的95氧化铝瓷，就是在氧化铝粉中加入5%的氧化硅和氧化钙（当然可能还有一些其他的添加剂），然后在加热过程中形成钙铝硅酸盐玻璃熔体，这样氧化铝瓷就可以在比没有液相时更低的温度下燃烧， 这节省了大量的能源，同时大大降低了成本。
但是，上面提到的“液相烧结”虽然可以冷却下来，但仍然需要在高温下加热才能形成液相，因此最终温度实际上不会太低（如1000）。 因此，人们很自然地想到，为什么不简单地在陶瓷原料中加入液相（如水或其他挥发性溶液）直接实现“液相烧结”。
当然，这个想法很好，但存在两个问题，一是施加的液相不能在坯体中形成应力，因此不能促进物质的流动。 其次，陶瓷粉在室温下不会溶于水。 为了解决这两个问题，人们想到了一个解决办法，那就是加压。 当然，如有必要，也可以适当预热。 于是，“冷烧结”诞生了。
所谓冷烧结，就是在加压条件下进行液相烧结。
事实上，这种方法还不算太晚，早在 1986 年就被报道了。 然而，在当时，这种方法仍然存在许多缺点，并未得到学术界的重视。 直到2024年，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员才用这种方法在从室温到300摄氏度的低温下燃烧陶瓷，引起了轰动。 正是他们将这种烧结技术命名为“冷烧结”。
在“冷烧结”过程中，陶瓷是如何凝固的？根据现有的研究，一般认为它可以分为两个阶段。 在第一阶段，在外界压力的作用下，由于液相的润滑，触发了颗粒的流动，使坯体的密度增加，辐射度增加。 同时，由于局部接触点压力较大，促进了颗粒尖锐和突出处的溶解，有利于孔隙的填充，可以进一步提高坯体的密度。 在第二阶段，在压力和温度的作用下，发生“溶解-沉淀”。 溶解的物质在液相中扩散并沉淀在颗粒表面平坦的地方，填充孔隙并进一步压实陶瓷。
冷烧结之所以引起广泛关注，是因为该技术显示出许多突出的优势。 这些优点是由于其极低的烧结温度。 采用该技术，可以在120-900°C的温度下获得致密陶瓷，明显低于普通窑炉的温度。 同时，由于烧结温度低，得到的陶瓷晶粒尺寸也更加均匀细腻。 此外，由于温度低，能耗也大大降低。 最后，由于温度低，冷烧结技术不仅可以用于烧烧陶瓷，还可以用于制造各种复合材料，包括各种无机有机复合材料。
综上所述，这种新型烧结技术现已成为材料科学领域的热点。 该技术开发的材料体系很多，包括微波介电材料、铁电材料、半导体材料、陶瓷靶材、锂离子电池电极和电解质材料等。 对于这些特定材料的冷烧结，我们改天再谈。
引用。 1、guo j, guo h z, baker a l, et al. angewandte chemie international edition, 2016,
2、galotta a, sgl**o v m. journal of the european ceramic society, 2021,
3、funahashi s, guo jing, guo hanzheng, et al. journal of the american ceramic society, 2017, 100(2): 46.