宾夕法尼亚州立大学用陶瓷烧结原子级薄材料成为现实

研究人员首次制备了一种陶瓷和二维材料的纳米复合材料。为纳米复合材料应用于固态电池、热电材料、压敏电阻、催化剂、化学传感器等打开新设计的大门。

烧结是通过高热量将密实的粉末材料转变为固体的过程。陶瓷通常在800℃甚至更高的温度下烧成，其被广泛的应用于工业中。许多低维材料无法在该温度条件下使用。

由宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发的烧结工艺，称为冷烧结工艺（CSP），可以在低于300℃下实现陶瓷烧结，从而节省能源并实现具有高商业潜力的新型材料。

“有业内人士对这项工作非常感兴趣”，工作于宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程专业Clive Randall教授课题组的博士后Jing Guo说到，“他们有兴趣用这种系统开发一些新的应用材料，并且通常使用CSP来烧结纳米复合材料。” Jing Guo是发表在《Advanced Materials》杂志论文的第一作者。

试图开发陶瓷二维复合材料系统的想法是由Lynnette Madsen组织的国家科学基金会关于陶瓷未来的研讨会的结果，该研讨会吸引了美国50位顶级陶瓷科学家。来自德雷塞尔大学（Drexel University）的Yury Gogotsi教授听到Randall关于冷烧结的演讲，便提议合作开发一种使用新型二维材料MXenes的陶瓷基复合材料，这种二维材料是由Gogotsi和他在德雷塞尔大学的合作者发现的。MXenes是几个原子厚度的碳化物和氮化物薄片，具有极高的强度。其中许多是优秀的金属导体。

虽然众所周知，将极少量的二维材料（如石墨烯）混合到陶瓷中可以极大地改变其性能，但MXene从未用于陶瓷复合材料。在这项工作中，Jing Guo和Gogotsi的博士生Benjamin Legum将0.5％-5.0％的MXene混入了一种氧化锌陶瓷体系中。金属MXene涂覆陶瓷粉末并形成连续的二维晶界，其防止晶粒生长，并将电导率提高两个数量级，将半导体氧化锌转化为金属陶瓷，并使最终产品的硬度提升至两倍。MXene的加入也提高了氧化锌将热量转化为电能的能力。

“Benjamin Legum来到这里与Jing Guo合作，随着时间的推移，他们克服了将2-D MXenes分散到氧化锌中然后烧结所带来的所有问题，”Clive Randall教授说到，“这开辟了一个将二维材料融入陶瓷的全新世界。”

Gogotsi补充到：“这是第一种含有MXene的陶瓷复合材料，考虑到已有大约30种具有不同性质的MXenes，我们正在开启陶瓷基复合材料研究的新篇章，其潜在应用范围涵盖了电子产品到电池和热电材料。”

该研究以“”Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide”为题发表在《Advanced Materials》上。

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