说起陶瓷，人们第一时间想到的可能就是景德镇。中国是世界上最早制成陶器与瓷器的国家之一，不仅起步早，生产规模与造型工艺等也都一直领先于世界，长期备受赞誉。而“China”既是在称呼中国，也代表着瓷器。

可以说陶瓷的发明，是人类原始社会跨入到新石器时代的一个重要标志，而中国陶瓷的生产距今已有近一万两千年的悠久历史。人们所俗称的“五大名窑”——官窑、汝窑、哥窑、定窑和钧窑，指的便是人们在一个特别搭建的建筑中通过生火加热，将粘土烧制成型的过程；烧制的温度、材料、手法等不同，则会带来不同样式效果的瓷器。

所以在某种意义上，陶瓷的制备是一种“火”的艺术。

随着科技与工艺的不断发展，陶瓷已不再局限于人们通常认知的生活器皿，而是得到了广泛应用。其在结构设计、电子通信、生物医疗等领域有着重要作用，尤其在固态电池和燃料电池领域的应用前景更为可观。不过，因为传统工艺在“火力”上的限制，烧制时间通常要数十小时，这让研究人员无法对原材料、特征性能等进行快速检测与迭代。

但近日，美国马里兰大学胡良兵教授的研究团队克服了传统烧结工艺的制约，发明出一种超快速的陶瓷高温烧结工艺（ultrafasthigh-temperaturesintering，UHS），将这项有着上万年历史的工艺时间缩短为10余秒，这既满足现代陶瓷的需求，又能推动新材料的创新发现。该研究登上了5月第一期Science杂志的封面。

为此，DeepTech也专门联系了胡良兵，就这项研究及他的其他科研成果进行沟通。

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5月首期Science杂志封面（来源：Science）

构想与突破

胡良兵对DeepTech表示，他的课题组一直在做高温合成方向的研究。而针对陶瓷高温烧结的研究也基于两年前的另一项Science封面成果——瞬间高温合成纳米尺度的高熵合金方法。

当他的课题组在固态电池膜研究的过程中，发现了传统烧结工艺有着很大的局限性。例如，传统制备工艺复杂且耗时耗能；在烧结过程中，易挥发元素的含量难以得到精准控制，这会导致制备出的陶瓷产生致密度低、电导率低，以及电化学性能差等问题。

因此，他们就想着把年的高温合成方法推广到块状材料领域，设想开发出一种快速烧结工艺以提高固态电解质制备效率、结构致密性及电化学性能。随着胡良兵课题组不断对工艺进行优化，该研究逐步发展为今天人们看到的一种普适性的高温材料烧结工艺。

“除了工艺突破本身，它还可以和计算大数据、3D打印技术相结合，实现高温功能材料的快速筛选，以及高温材料结构设计和调控等。”他介绍道。

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快速烧结工艺及陶瓷合成装置：A.UHS合成工艺过程示意图——让压制而成的小圆片直接在高达℃的条件下10秒左右烧结成致密的陶瓷；B是UHS烧结装置在室温下未通电时的照片；C是约℃高温紧密且均匀地包裹着小圆片，使其快速烧结（来源：胡良兵）

胡良兵称，传统的烧结工艺时间大概需要20小时，升降温的速率较慢，大约10~℃/min。此外，锂、铅、钠和钾等元素在高温下容易挥发，无法控制含量，进而难以保证最终材料化学组分的完整性。另一种比较先进的放电等离子烧结工艺（sparkplasmasintering，SPS），在烧结过程中则需要加压，因此不适用于3D打印技术及多孔结构材料的制备。

其他诸如微波烧结，闪烧（Flashsintering，FS）等先进陶瓷烧结技术同样也存在着升温速率慢、元素易挥发，或者难以保证样品结构完整性等问题。

“我们的快速烧结法采用碳材料加热，因此烧结温度可以达到℃，升降温速率可至-℃/min，烧结时间缩短到10秒左右。”胡良兵说，“而且，在烧结过程中不需要加压，因此该工艺可保持3D打印材料、薄膜材料，以及多孔材料的结构完整性，是一种普适性的高温烧结方法。”

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10倍加速下，眨眼间完成烧结的小圆片（来源：胡良兵）

该研究中被快速烧结成陶瓷的小圆片主要分为三类：一，通过大数据快速筛选计算出的性能优良的石榴石型固态电解质材料；二，合成钠电池和锂电池中其他类型的固态电解质（LATP、LLTO和β-Al2O3）；三，合成高温陶瓷材料（α-Al2O3和YSZ）。

胡良兵介绍道，在Science发表的论文中他们一共合成了24种圆片型材料。而且制造工艺极为简单，就是先按照其化学组成把原料均匀混合、压片，然后直接采用UHS快速烧结法，10秒左右便可烧结成致密结构陶瓷。“在我们的工艺中，原料之间的反应和烧结是同时进行的。”他解释说，“该工艺还可以烧结其他结构更为复杂的材料。”

对于这项研究的意义，他表示：一方面，快速烧结法可与高温材料的大数据相结合，让人们可以快速筛选性能优良的高温材料，加速功能性高温材料的发展进程；另一方面，它还可以和3D打印技术结合，实现对材料结构的精准设计和调控。

因为该方法的工艺简单，生产成本较低，胡良兵表示他们已经成立了高温高科公司（

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