盖世汽车讯 从智能手机、电脑到电动汽车和可再生能源系统，陶瓷材料的应用无处不在。这些材料因其独特的电学、磁学和热学性能而被广泛应用于各种技术领域。然而，发现性能更优的新型陶瓷材料仍然是一项重大挑战，因为每种候选材料通常都需要单独合成和测试，涉及多个耗时费力的步骤。

图片来源：期刊《材料化学C》

据外媒报道，日本东京科学大学（Institute of Science Tokyo）助理教授Sou Yasuhara领导的研究团队，以及东京科学大学材料与化学技术学院材料科学与工程系教授Takuya Hoshina、研究生Yosuke Sugita和研究生Masaki Tozuka共同参与，开发了一种利用纤维素纳米纤维（CNF）分散体进行陶瓷加工的简便高通量方法。相关研究成果发表在期刊《材料化学C》（Journal of Materials Chemistry C）上。

CNF法的工作原理

研究人员并非从零开始制备每种陶瓷组分，而是首先将陶瓷粉末分散在含有CNF的水中。这些纳米纤维同时发挥多种作用，包括均匀分散粉末、提供足够的粘结强度以及改善触变性，从而使混合物在混合过程中流动性更好，并在混合后更加稳定。

然后，可以将这些分散液按不同比例混合，再进行干燥和烧结，从而制备出不同的陶瓷组分。

因此，制备新的陶瓷材料配方只需大约三分钟的实际操作时间，省去了传统陶瓷加工中所需的称量、粉末混合和造粒等步骤。

“开发新型陶瓷材料需要制备和测试数百种配方，这使得合成成为一个主要的瓶颈，”Yasuhara先生说道。他补充道，“我们希望创造一种更简便的方法来加速材料探索。”

与传统陶瓷质量相匹配

为了确保新方法能够制备出高质量的材料，研究人员首先合成了钛酸钡（BaTiO3），这是一种广泛应用于电容器的常用介电陶瓷。

所得陶瓷展现出致密的微观结构、晶体结构、介电常数和相变温度，与传统固相法制备的陶瓷非常接近。

随后，研究团队将该方法拓展至更为复杂的材料体系。他们成功制备了钛酸钡-钛酸锶固溶体以及钛酸钡-钛酸锶-钛酸钙三元体系。测得的结构和介电性能与先前报道的结果高度吻合，表明该方法在显著简化样品制备的同时，实现了相似的材料质量。

筛选稳定介电材料

研究人员验证该技术后，利用其探索性能更优的介电材料。他们研究了基于钡、锶、钙、钛和锆的不同陶瓷成分，重点在于提高介电常数的温度稳定性，这对于在不同工作条件下使用的电容器而言至关重要。

通过快速成分筛选，他们发现了 Ba_0.55Sr_0.15Ca_0.30(Ti_0.91Zr_0.09)O₃。这种陶瓷材料在30 °C至125 °C的温度范围内保持了约4000的高介电常数，并表现出优异的稳定性。这一发现表明，该方法能够以相对较少的起始原料加速筛选出有前景的功能材料。

“我们的方法无需专用或昂贵的设备即可实现高通量陶瓷加工，从而加速了用于电子器件及其他众多应用的功能材料的发现，”Yasuhara表示。

更广泛的应用，超越电容器领域

除了介电陶瓷之外，研究人员认为该方法有望惠及更广泛的无机材料领域。由于该技术简化了样品制备，研究人员可以快速生成多种具有更优异电学、磁学、光学和储能性能的材料。

此外，该方法依赖于价格低廉的设备，使得没有复杂自动化系统的实验室也能进行高通量实验。

未来，研究人员计划将该方法扩展到其他类型的陶瓷材料，并助力更快地发现用于电子、能源和其他新兴技术的先进材料。