烧结是一项古老又传统的工艺，简单来说烧结就是一种致密化技术，其原理是利用高温使得粉末材料的颗粒相互键联，形成致密的固体。早在公元前2000年以前我国劳动人民就掌握了一些烧结工艺，并发明出了陶瓷等代表性的器皿。

烧结是制备复合材料的有效方法之一，利用烧结可以制备出合金、纳米复合材料等具有各种优异性能的材料。然而为大多数人所熟悉的烧结工艺，一般是指陶瓷烧结或者矿石烧结，特点是都需要800℃以上的高温或高压等条件，而这种加工技术并不适合处理几种热力学不相容的材料，如陶瓷和二维材料等，因为后者的熔点一般没有这么高。

近日，来自美国宾州州立大学的研究人员开发了一种新型冷烧结工艺，可以在低于300℃温度下对二维纳米材料和氧化锌陶瓷粉末进行烧结，低成本的制备出新型纳米复合材料，为纳米陶瓷复合材料的设计开辟了一条新道路。相关研究成果在线发表在6月26日的Advanced Materials期刊上。（“Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide”）

据悉，这项研究的最初想法起源于Lynnette Madsen教授组织的美国国家科学基金会关于未来陶瓷研讨会。该研讨会吸引了50位美国顶级陶瓷科学家，来自Drexel大学的Yury Gogotsi教授听取了宾州州立大学Randall教授关于冷烧结技术的演讲，并提议使用一类叫MXenes的新型二维纳米材料结合这种冷烧结工艺，来合作开发一种新型陶瓷复合材料。

使用冷烧结工艺对氧化锌陶瓷粉末和2D纳米材料进行共烧结示意图

众所周知，将极少量的二维材料，如石墨烯等，与陶瓷复合可以极大地增强其性能，但MXene此前从未被用于陶瓷复合材料，这主要是因为没有成熟的冷烧结技术。在该研究工作中，研究人员利用改进的冷烧结技术将0.5％-5.0％的MXene成功加入到氧化锌陶瓷系统中。

据该研究显示，这种致密的ZnO-MXene纳米复合材料的制备方法如下：首先将制备的MXene溶液混合并用ZnO超声处理，以获得均匀的分散体，随后快速冷冻，进行冷冻干燥72小时；然后，将17-20wt％的1.5M乙酸加入到ZnO-Mxene混合物中并均化。最后，将润湿的ZnO-Mxene粉末在250MPa的压力和300℃的温度下在模具中压制1小时。

冷烧结法制备二维纳米复合陶瓷过程示意图

研究人员发现：二维材料MXene均匀的包裹了陶瓷粉末并形成连续的二维晶界，有效的抑制了晶粒生长，并将电导率提高了两个数量级，将半导体氧化锌转化成了金属陶瓷，并使最终产品的硬度加倍。此外，研究人员还发现MXene的加入也提高了氧化锌将热量转化为电能的能力。

Gogotsi教授表示：“这是首个含有MXene的陶瓷复合材料。考虑到已经有大约30种具有不同性能的MXene二维材料，我们正在开启陶瓷基复合材料研究的新篇章，其潜在应用范围包括电子产品、电池、热电材料等。”

该研究团队创造性的克服了冷烧结技术的种种困难，使其可以将MXene这类二维纳米材料与陶瓷材料复合，同时他们提出的这种方法理论上对其他类似的二维材料应该同样有效，为低成本制备二维纳米陶瓷复合材料打开了大门。