Il professor Hiromi Nakano della Toyohashi University of Technology ha collaborato con un'azienda per sviluppare un piccolo, forno ad atmosfera leggera a controllo della pressione dell'aria in grado di sintetizzare rapidamente e uniformemente strutture periodiche di Li ₂ O-Nb ₂ oh ₅ -TiO ₂ (LNT) materiali in soluzione solida a pressione ordinaria 3x. Il meccanismo sottostante è stato scoperto utilizzando un'analisi dettagliata della composizione/struttura. Poiché il processo di sinterizzazione è ridotto di un quarto rispetto ai forni elettrici convenzionali, questa tecnologia può essere applicata anche ad altri materiali.

Il forno ad atmosfera controllata dalla pressione dell'aria è un forno di sinterizzazione che utilizza una normale presa di corrente CA da 100 V e consente di risparmiare fino a 800 W di energia. Con questo forno, il gas pressurizzato viene fornito/controllato utilizzando un compressore o un flusso di gas e i materiali possono essere riscaldati fino a 1, 100 gradi C. (FIG. 1)

Per verificare le prestazioni di questo forno, il presente studio si è concentrato sulle soluzioni solide di LNT. La professoressa Nakano e il suo team hanno lavorato su soluzioni solide LNT per molti anni, ricercando le loro proprietà elettriche e applicazioni come materiale ospite di fosforo, e aveva già ottenuto dati di base sul materiale in forni elettrici e sistemi di riscaldamento a onde millimetriche. Il professor Nakano dice, "In una particolare area di formazione, questo materiale mostra una struttura periodica unica (sovrastruttura) nota come fase M in una formazione auto-organizzata. Questa sovrastruttura ha un LiNbO . trigonale ₃ -tipo struttura come matrice e si forma inserendo periodicamente un corindone [Ti ₂ oh ₃ ] ²⁺ strato come strato di intercrescita in modo da dividere la matrice." Con un forno elettrico convenzionale, i materiali che hanno una sovrastruttura uniforme richiedono un lungo processo di sinterizzazione per essere sintetizzati. Se questi materiali potessero essere sintetizzati uniformemente in un periodo di tempo più breve, potrebbero essere più ampiamente utilizzati come materiali pratici.

Come è stata ottenuta esattamente la rapida sintesi nel presente studio? È generalmente noto che un meccanismo di vacanza di ossigeno è dominante a basse pressioni parziali di ossigeno e la vacanza di cationi è dominante a pressioni parziali di ossigeno elevate. L'uso di una bassa pressione del gas per questo studio ha portato il team a scoprire che esiste un meccanismo di diffusione dell'ossigeno che coinvolge l'ossigeno interstiziale nonostante il predominio della vacanza di cationi. Come mostrato in FIG. 2, La valenza di Ti cambia da Ti ⁴⁺ a Ti ³⁺ nello strato di intercrescita per causare vuoto di ossigeno. Quindi, gli ossigeni interstiziali promuovono la diffusione dell'ossigeno lungo la direzione dello strato di intercrescita proprio come le palle su un tavolo da biliardo. Di conseguenza, le forme dei grani diventano anisotrope nella direzione di crescita dei grani e si formano grani piastriformi.

Il professor Nakano dice, "All'inizio dello sviluppo, Ho preso in considerazione la sinterizzazione rapida utilizzando un dispositivo diverso perché ritenevo che non fosse possibile eseguire una sinterizzazione rapida utilizzando un forno di controllo della pressione dell'aria a circa 3 volte la pressione ordinaria. Ma un giorno, un ingegnere presso la nostra società partner di ricerca Full-Tech Co. Ltd., ha effettuato un esperimento utilizzando questo forno. Anche se nessun esperimento simile aveva avuto successo in passato, quel particolare esperimento in quel particolare giorno ha prodotto un materiale molto uniforme. Da allora in poi, Ho iniziato a condurre esperimenti in questo forno a controllo della pressione dell'aria in varie condizioni per confermare finalmente una riduzione del processo di sinterizzazione. Però, al tempo, c'erano pochissimi rapporti sulla sintesi di materiali di successo in aree così pressurizzate, e ho passato tre mesi a setacciare le pubblicazioni per cercare di scoprire il meccanismo alla base della sinterizzazione rapida. È stato allora che ho partecipato a una conferenza in cui un relatore invitato ha parlato del comportamento di diffusione dell'ossigeno ad alte temperature, mostrando un video che spiegava i risultati della simulazione. L'ossigeno interstiziale ha disperso gli ioni di ossigeno in un materiale quando il materiale ha vuoti di ossigeno molto simili a palle su un tavolo da biliardo quando viene colpito. Appena ho visto quel video, Ho fatto due più due e ho capito che quello era il meccanismo alla base della sinterizzazione rapida.

"Attualmente, stiamo cercando di applicare questa tecnologia ad altri materiali che richiedono molto tempo per la sinterizzazione in un forno ad atmosfera controllata dalla pressione dell'aria. Questo materiale può essere utilizzato anche come materiale per prodotti in diversi campi come dispositivi di comunicazione ottica, vari sensori e LED."