陶瓷和2D材料冷烧结工艺，制备新型陶瓷纳米材料

研究人员首次用二维材料制造了一种陶瓷纳米复合材料，为具有多种应用的纳米复合材料开辟了新的大门。如固态电池热电偶、压敏电阻、催化剂、化学传感器等。

      烧结是一种利用高热量将粉末材料致密成固体形式的方法。在工业上广泛使用的陶瓷粉末通常在800摄氏度或更高的温度下进行压实。许多低维材料不能承受这种温度。

      但是，宾夕法尼亚州立大学的一组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℃的温度下烧结陶瓷，这种方法可节约能源并使其具有高商业潜力的新材料制造成为可能。

示意图展示了陶瓷和2D材料共同进行冷烧结的过程，以及冷烧结9ZnO-1Ti3C2Tx纳米复合材料的TEM图像和能量色散谱（EDS）图。

      “我们有一些对这项工作非常感兴趣的行业人士。” 宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授Clive Randall团队的博士后Jing Guo说。Guo是发表在《先进材料学报》杂志上的论文（“2D MxSiN和氧化锌冷烧结陶瓷纳米复合材料”）的第一作者。“他们有兴趣开发该系统中新的材料的应用，一般来说开发CSP在烧结纳米复合材料中的应用。”

      Lynnette Madsen博士组织的一个关于陶瓷未来的国家科学基金研讨会通过讨论，有了一个试图开发一个陶瓷-2D复合系统的想法，它吸引了50名美国顶尖陶瓷科学家。Yury Gogotsi，Charles T，Distinguished大学教授Ruth M. Bach以及卓克索大学德雷克塞尔纳米材料研究所所长听了Randall关于冷烧结的演讲，提出了一项合作，用一种叫做MxEnes的新的二维材料开发陶瓷复合材料，这种材料是他和他的合作者在卓克索大学发现的。MXenes是几个原子薄的碳化物和氮化物片，具有极高的强度，其中许多是优良的金属导体。

      尽管众所周知将很少量的2D材料（如石墨烯）混合到陶瓷中可显著改变其性能，但MXene从未被用于陶瓷复合材料中。在这项工作中，Gogotsi的博士生Guo和Benjamin Legum将0.5-5%的MXene混合到大家熟悉的氧化锌陶瓷系统中。金属MxEN包覆陶瓷粉末并形成连续的二维晶界，阻止晶粒生长，将导电率提高了两个数量级，同时半导体氧化锌转化为金属陶瓷，使最终产品硬度提升了一倍。MxEn的加入也提高了氧化锌热能转化为电能的能力。

      “Ben经常和Jing进行合作，随着时间的推移，他们克服了包括分散2Mnxes到氧化锌，然后进行烧结遇到的所有问题。” Randall说：“这打开了2D材料在陶瓷应用中的全新世界。”

      Gogotsi补充说：“这是第一个含有MxEN的陶瓷复合材料。考虑到大约三十个具有不同性质的Myxes已经可以开始使用。我们正在打开陶瓷基复合材料潜在应用范围从电子到电池和热电的新篇章。”