Керамика — основа современной электроники, систем хранения энергии и передовых технологий, но ее производство традиционно связано с высокими температурами. Это не только требует огромных энергозатрат, но и ухудшает свойства материала. Холодное спекание (CSP) стало настоящим прорывом: оно позволяет уплотнять керамику при температурах ниже 300 °C с помощью особой жидкой фазы, которая скрепляет частицы. Однако долгое время существовало серьезное препятствие: в качестве такой жидкости для водорастворимой керамики идеально подходила обычная вода, но для большинства нерастворимых в воде материалов приходилось использовать едкие кислоты, щелочи или дорогие растворители. Это закрывало дорогу к холодному спеканию для множества важнейших керамических материалов.

Один из таких материалов — Li₂TiO₃. Он критически важен для создания твердотельных электролитов, микроволновых устройств и материалов для ядерной энергетики. Однако при традиционном спекании при температурах около 1000°C его структура нарушается: зерна грубеют, а литий испаряется, что резко снижает ионную проводимость и прочность материала.

Группа ученых — Ричун Чэнь из Университета Чэнду, профессор Цзяньци Ци из Сычуаньского университета и Хаоминь Ван из Тайханской лаборатории — нашла решение. Они обнаружили, что если измельчить порошок Li₂TiO₃ до наноразмеров, то обычная вода, несмотря на практически полную нерастворимость в ней этого материала, начинает эффективно работать как жидкая фаза для холодного спекания.

Результаты опубликованы в издании Journal of Advanced Ceramics.

Мы давно знали, что наноматериалы ведут себя иначе — их высокая поверхностная энергия и уникальные свойства на стыках частиц могут открывать новые возможности, — объясняет Ричун Чэнь, первый автор-корреспондент работы из Университета Чэнду. — Здесь мы использовали эти наноразмерные эффекты, чтобы обойти ограничения растворимости, позволив воде делать то, что раньше требовало агрессивных химикатов.

Команда сравнила наноразмерные (19.71 нм) и микроразмерные порошки Li₂TiO₃ в идентичных условиях холодного спекания. При 300°C и давлении 700 МПа нанопорошки достигли впечатляющей относительной плотности в 94.33%, в то время как микроразмерные — лишь 78%. Исследование под микроскопом высокого разрешения показало причину: уникальный механизм уплотнения, сочетающий пластическую деформацию, при которой давление вызывает перестройку атомов, и локальное растворение на границах наночастиц. Эти явления усилены высокой поверхностной энергией наночастиц.

В результате получилась нанокерамика с мелкозернистой структурой (26.42 нм), которая превзошла образцы, полученные традиционным спеканием. Ее твердость по Виккерсу составила 905 HV, что значительно выше, чем у керамики, спеченной при 1000°C. Кроме того, материал продемонстрировал улучшенную электропроводность, что критически важно для энергетики и электроники.

Традиционное спекание Li₂TiO₃ при 1000°C приводит к росту зерен и потере лития, что ухудшает свойства материала, — отмечает Лейцин Тан, первый автор статьи из Университета Чэнду. — Наша холодноспеченная нанокерамика сохраняет тонкую структуру и химическую стабильность, при этом требуя меньше энергии и более простых, экологичных растворителей — всего лишь воды.

Этот подход не только решает давнюю проблему холодного спекания, но и открывает двери для других нерастворимых в воде керамических материалов. Отказ от специализированных растворителей упрощает производство, снижает стоимость и соответствует глобальному тренду на устойчивые, «зеленые» технологии.

Сравнение характеристик порошков

Ключевые преимущества подхода:

• Использование воды вместо агрессивных или дорогих химикатов.
• Существенное снижение температуры обработки.
• Сохранение мелкозернистой структуры и состава материала.
• Улучшенные механические и электрические свойства конечного продукта.

Реальная польза этой работы выходит далеко за рамки академического интереса. Представьте себе производство следующего поколения твердотельных батарей. Li₂TiO₃ — перспективный материал для электролита, но высокотемпературное спекание разрушает его тонкую структуру и ухудшает проводимость. Холодное спекание нанопорошков водой позволяет создавать плотные, высокопроводящие электролиты без деградации. Это прямой путь к более мощным, безопасным и долговечным аккумуляторам для электромобилей и гаджетов. В микроэлектронике метод позволяет интегрировать термочувствительные керамические компоненты прямо в чипы, не повреждая их. Для  «зеленой» экономики это означает резкое сокращение энергопотребления и углеродного следа при производстве керамики, а также отказ от опасных растворителей. Методология, предложенная командой, является ключом к экологичному и экономичному производству целого класса критически важных материалов.

Основной вопрос, который требует проработки, — это масштабируемость технологии. В исследовании используются высокие давления (700 МПа). Создание такого давления в лабораторных условиях для маленьких образцов — одна задача, а организация непрерывного промышленного процесса для массового производства крупногабаритных деталей — совершенно другая. Оборудование для такого прессования может быть чрезвычайно дорогим и энергоемким, что частично нивелирует выгоды от низкотемпературного процесса. Кроме того, синтез наноразмерных порошков Li₂TiO₃ сам по себе может быть более сложным и дорогостоящим, чем получение микропорошков. Прежде чем метод выйдет на рынок, необходимо доказать его экономическую целесообразность на больших масштабах и решить инженерные задачи, связанные с высоким давлением.

Ранее российские ученые проложили путь к созданию более прочной керамики.