CN114206802A - 高温烧结系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了快速高温烧结系统和方法。一种制造方法包括将材料定位于距离第一导电碳元件0‑1cm且距离第二导电碳元件0‑1cm处，通过电流加热第一导电碳元件和第二导电碳元件至500℃‑3000的温度，包括端点，并且通过用加热的第一导电碳元件和加热的第二导电碳元件加热该材料一秒到一小时的时间段以制成烧结材料。还公开了快速高温烧结系统和方法的其他变体。公开的系统和方法可以快速制造使用传统烧结方法不可行的独特结构。

Description

高温烧结系统和方法

相关申请的引证

本申请要求享有2019年5月17日提交的美国临时专利申请第62/849,578号、2020年2月12日提交的美国临时专利申请第62/975,483号以及2020年5月8日提交的临时专利申请第63/022,083号的权益和优先权。上述专利申请的全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本公开涉及烧结系统和方法，更具体涉及快速高温烧结系统和方法。

背景技术

陶瓷由于其高热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而广泛用于电子、能量存储和极端环境。陶瓷的烧结是能够追溯到26000多年前的技术。传统的陶瓷合成通常包括两个步骤：由前体形成陶瓷的固态反应，和烧结而形成固体组分。每一步都需要高温和数小时的处理时间，这能够导致不希望的不均匀的晶粒生长，并成为大量发现先进陶瓷材料的障碍。烧结时间长也是开发新型陶瓷类固态电解质(SSE)的重要问题，由于烧结过程中Li和Na的剧烈波动，这对于提高能源效率和安全性的新型电池而言是至关重要的。

由于加热元件的限制，传统烧结方法的过程温度通常限制于约1200℃。采用特殊设计的石墨炉，温度能够达2000℃。然而，整体炉(bulk furnaces)的温度和温度分布难以控制，温度上升和冷却速度延长。庞大且密封的设备也难以监控和研究以了解改进的可能性，这会导致长迭代的试错过程，其严重限制材料，尤其是陶瓷、玻璃和金属材料的开发。

在这方面已经进行大量努力致力于创新烧结技术的开发，如微波辅助烧结，放电等离子体烧结(SPS)和快速烧结。然而，微波辅助烧结根本上取决于材料的微波吸收特性，限制了其普适性。SPS技术需要模具以在烧结时压制陶瓷，这限制了产品的几何形状和可缩放性，并且由于施加的压力不适合烧结复杂的3D结构，并且其不能同时烧结多个样品。最近开发的快速烧结方法显示出至多达约10,000℃/min的高加热速率。然而，其通常需要昂贵的Pt电极，并且难以应用于具有复杂几何结构(例如，3D结构)的样品。具体而言，特定的快速烧结条件在很大程度上取决于材料的电气特性，当材料的特性未知时，限制了其在高产量加工中的适用性。因此，有兴趣开发和改进能够更普遍地应用于更高产量加工的烧结技术。

发明内容

本公开涉及快速高温烧结系统和方法。本公开的方面提供了新型非材料特异性的超快节能烧结技术，其可以应用于不同的材料而可以实现大范围技术应用的块状陶瓷的高产量制造。

根据本公开的方面中，一种制造方法包括将材料定位于距第一导电碳元件0-1cm处且距第二导电碳元件0-1cm处；通过电流将第一导电碳元件和第二导电碳元件加热至500-3000℃的温度(包括端值)；通过将材料用加热的第一导电碳元件和加热的第二导电碳元件加热一秒至一小时的时间段而制造烧结材料。

在该方法的各个实施方式中，该方法包括开始加热第一导电碳元件和第二导电碳元件，和第一导电碳元件和第二导电碳元件在开始加热的三十秒内达到500-3000℃的温度(包括端值)。

在该方法的各个实施方式中，第一导电碳元件和第二导电碳元件中的至少一个至少部分与该材料接触，并且该方法还包括施加压力以在材料加热期间至少部分地使第一导电碳元件和第二导电碳元件中的至少一个压靠该材料。

在该方法的各个实施方式中，该方法包括将材料保持于传送带上，其中第一导电碳元件位于传送带的一部分的上方，并且其中第二导电碳元件位于以下中的一种：传送带的一部分之下的位置，或作为传送带的一部分，并且其中定位材料包括推进传送带以在第一导电碳元件和第二导电碳元件之间传送该材料。

在该方法的各个实施方式中，该方法包括，在时间段结束时，推进传送带以从第一导电碳元件和第二导电碳元件之间移除烧结的材料，同时保持第一导电碳元件和第二导电碳元件的温度。

在该方法的各个实施方式中，该材料是具有一定组成和结构的3D打印材料，并且烧结的材料是保持该组成和结构的功能器件。

在该方法的各个实施方式中，该材料是具有多种组成的粉末，并且制造该烧结材料包括使该多种组成在该时间段内发生反应。

在该方法的各个实施方式中，该烧结材料是以下中的一种：金属，合金，高熵合金，难熔金属(refractory metal)，难熔合金，陶瓷或离子导体。

在该方法的各个实施方式中，该烧结材料是玻璃致密结构或透明陶瓷致密结构中的一种，并且制造该烧结材料包括使粉末至少部分熔化。

在该方法的各个实施方式中，该材料是具有至少两个层的多层结构，其中该烧结材料包括位于该至少两个层之间的界面层，该界面层具有小于10μm的深度。

在该方法的各个实施方式中，该材料包括至少两种组成，其中该烧结材料是包括至少两种组成的复合结构，并且其中该复合结构在至少两种组成之间具有界面层，其中该界面层具有小于10μm的深度。

在该方法的各个实施方式中，材料在计算研究中确定出，并且该方法包括分析烧结材料以验证计算研究的计算结果。

在该方法的各个实施方式中，该方法包括将多种附加材料定位于第一导电碳元件和第二导电碳元件之间，和通过在该时间段中用加热的第一导电碳元件和加热的第二导电碳元件加热多种附加材料以制造多种附加烧结材料，其中该多种附加材料与该材料一起同时共烧结。

在该方法的各个实施方式中，在计算研究中确定该多种附加材料。

根据本公开的各方面中，炉包括材料、位于距该材料0-1cm处的第一导电碳元件、位于距该材料0-1cm处的第二导电碳元件、配置为通过电流使第一导电碳元件和第二导电碳元件加热到500-3000℃的温度的电源和配置为控制该电源以采用加热的第一导电碳元件和加热的第二导电碳元件加热该材料一秒到一小时的时间段的控制器。

在该炉的各个实施方式中，第一导电碳元件和第二导电碳元件中的至少一个至少部分与该材料接触，并且该炉包括压力机构，其中控制器配置为控制该压力机构以在材料加热期间至少部分地将第一导电碳元件和第二导电碳元件中的至少一个压靠于该材料上。

在该炉的各个实施方式中，该炉包括保持该材料的传送带，其中一部分传送带位于第一导电碳元件和第二导电碳元件之间，并且其中控制器配置为控制该传送带以在第一导电碳元件和第二导电碳元件之间传送该材料。

根据本公开的各方面中，制造方法包括将导电碳元件定位于距该材料至多1cm处，其中该材料的尺寸大于导电碳元件的尺寸；通过电流将导电碳元件加热至500-3000℃的温度(包括端值)和将加热的导电碳元件移动到该材料上方以提供处理的材料。

在该方法的各个实施方式中，在材料上方移动加热的导电碳元件导致该材料退火。在该方法的各个实施方式中，该材料的退火会在该材料的表面产生新表面层。

在该方法的各个实施方式中，该材料包括基材上方的薄膜，该方法还包括通过使用以下中的一种将该薄膜沉积于基材上：溅射、化学气相沉积、原子层沉积或物理气相沉积。

在该方法的各个实施方式中，在材料上方移动加热的导电碳元件导致该材料烧结而提供烧结的材料。

在该方法的各个实施方式中，该方法包括在烧结材料上施加层，和将加热的导电碳元件移动到该层之上以提供烧结的层，其中该烧结的材料和烧结的层一起形成烧结的多层结构。

在该方法的各个实施方式中，该材料包括基材上方的涂覆粉末，并且该烧结材料包括在该基材上的烧结涂层。

在该方法的各个实施方式中，该材料是以下中的一种：固态电解质(SSE)前体的打印膜或SSE粉末的膜，并且该方法包括将SSE前体浆料或SSE粉末中的一种分散成膜，其中该烧结材料是烧结SSE膜。

在该方法的各个实施方式中，该材料是涂覆于金属基材上的热障涂层，其中该热障涂层包括顶部多孔层和底部致密层，其中顶部多孔层具有1-10,000nm的孔径，其中烧结材料是金属基材上的烧结热障涂层，并且顶部多孔层和底部致密层是以下中的一种：在单个烧结过程中共烧结，或在分开的烧结过程中一次烧结一层。

在该方法的各个实施方式中，该材料是涂覆于金属基材上的环境屏障层，其中烧结材料是金属基材上的烧结环境屏障涂层。

根据本公开的各方面中，炉包括：材料；位于距材料至多1cm处的导电碳元件，其中该材料的尺寸大于该导电碳元件的尺寸；电源，配置为通过电流使该导电碳元件加热到500-3000℃的温度；机械臂，配置为在该材料上移动加热的导电碳元件以提供处理的材料；和控制器，配置为用于控制电源加热导电碳元件并配置为控制机械臂移动加热的导电碳元件。

根据本公开的各方面中，一种结构包括具有至少两种组成的烧结复合结构和在至少两种组成之间的界面层，其中该界面层具有小于10μm的深度。

在该结构的各个实施方式中，烧结复合结构的至少两种组成包括以下中的一种：金属和碳纳米材料，金属和陶瓷，或合金和合金，其中碳纳米材料包括以下中的一种：纳米管或石墨烯。

在该结构的各个实施方式中，烧结复合结构中的每种至少两种组成是选自由以下组成的组中的材料：陶瓷，玻璃，金属，合金，碳，或聚合物。

在该结构的各个实施方式中，烧结复合结构的每种至少两种组成是以下中的一种：致密组成或多孔组成。

根据本公开的各方面中，一种结构包括具有至少两个层的烧结多层结构，其中至少两个层中的第一层具有与至少两个层中的第二层不同的材料。

在该结构中的各个实施方式中，烧结多层结构的每个至少两个层包括由以下组成的组中的材料：陶瓷，玻璃，金属，合金，碳，或聚合物。

在该结构的各个实施方式中，烧结复合结构的每个至少两个层是以下中的一种：致密层或多孔层。

在该结构的各个实施方式中，该烧结多层结构的第一层是多孔层且该烧结多层结构的第二层是致密层，其中致密层是以下中的一种：单个致密层或至少两个致密子层。

在该结构的各个实施方式中，该烧结多层结构的至少两个层包括第三层，其中第三层是多孔层。

在该结构中的各个实施方式中，第一层是固态电解质且第二层是不同的固态电解质，并且该烧结多层结构构成多官能固态电解质。

在该结构的各个实施方式中，该至少两个层包括第三层，其中：第一层是固态电解质，第二层是电极，且第三层是电极和固态电解质之间的界面层，其中界面层具有小于10μm的深度。

在该结构的各个实施方式中，该结构包括固态电池，其中固态电池包括烧结多层结构，并且该烧结多层结构是固态电解质。

在该结构的各个实施方式中，该结构包括：燃料电池，其中燃料电池包括烧结多层结构，且烧结多层结构是固态电解质。

在本公开的各方面中，一种制造热电器件的方法包括：在基材上提供p型薄膜，在基材上提供n型薄膜，将至少一个导电碳元件定位于距p型薄膜和n型薄膜最多1cm距离处，通过电流将该至少一个导电碳元件加热到500-3000℃的温度(包括端值)通过来自至少一个加热的导电碳元件的热量烧结该p型薄膜和n型薄膜，和在烧结的p型薄膜或烧结的n型薄膜中的至少一个的至少一部分上提供至少一个电极。

在该方法的各个实施方式中，p型薄膜和n型薄膜同时烧结。

在该方法的各个实施方式中，p型薄膜和n型薄膜依序烧结。

在本公开的各方面中，压电器件包括第一电极和第二电极，和第一电极和第二电极之间的烧结压电薄膜。

下面将参考附图更详细地描述本公开的示例性实施方式的进一步细节和方面。

附图说明

当结合附图审视以下详细描述时，本公开的上述和其他方面和特征将变得更加显而易见，其中相同附图标记表示相似或相同元件，并且：

图1是根据本公开的各方面的示例性UHS烧结过程的图解；

图2是根据本公开的各方面的用于UHS过程的加热元件的示例性配置的图解；

图3是根据本公开的包括向加热元件施加压力的示例性UHS系统的图解；

图4是根据本公开的各方面的包括传送带的示例性UHS系统的图解；

图5是根据本公开的各方面的包括用于烧结材料顶层的可移动加热棒的示例性USH系统的图解；

图6是根据本公开的各方面的使用UHS系统和方法可以烧结的示例性3D打印结构的示意图；

图7是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于粉末的示例性操作的图解；

图8是根据本公开的各方面的通过应用UHS系统和方法形成的示例性多层结构的示意图；

图9是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于共烧结组合物而形成复合结构的示例性操作的图解；

图10是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于实施固体材料后处理的示例性操作的图解；

图11是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于处理固体材料表面的示例性操作的图解；

图12是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于处理基材表面上的薄膜的示例性操作的图解；

图13是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于共烧结电极材料和固态电解质的示例性操作的图解；

图14是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于共烧结和制造固态电池的示例性操作的图解；

图15是根据本公开的各方面的将UHS系统和方法应用于制造打印薄膜电池的示例性操作的图解；

图16是根据本公开的各方面的通过将UHS系统和方法应用于不同应用(例如，电池和燃料电池)而形成的示例性多层结构的示意图；

图17是根据本公开的各方面的通过应用UHS系统和方法而形成的示例性热电器件的图解；

图18是根据本公开的各方面的通过应用UHS系统和方法而形成的示例性压电器件和薄膜的图；

图19是根据本公开的各方面的通过应用UHS系统和方法而形成的示例性热障涂层或环境屏障涂层的图解；

图20是根据本公开的各方面的通过应用UHS的材料计算筛选与制造的示例性过程的示意图；和

图21是根据本公开的各方面的用于同时共烧结多种材料的示例性UHS系统的图解。

具体实施方式

本公开涉及快速高温烧结系统和方法。本公开的各方面提供了创新型非材料特异性的超快节能烧结技术，其可以应用于不同材料而实现大范围技术应用的块状陶瓷的高产量制造。如下文将结合附图解释的，本公开提供用于在可以快至四十五秒或更短的过程中烧结多种类型的材料的系统和方法，提供优于20小时传统炉烧结时间的显著改进。

如本文所用，并且除非另有说明，否则术语“烧结”是指通过加热和/或压力而无需材料完全液化形成固体材料块体的方法，并且可以包括部分熔化材料而无需材料完全液化的方法。在某些情况下，术语“烧结”可以是指熔化材料的过程，正如下文的各种情况的解释。

本文公开的烧结方法可以称为超快高温烧结(“UHS”)或高温脉冲(“HTP”)烧结。UHS方法具有均匀的温度分布、快速加热速率(例如，2,000-100,000℃/min)和快速冷却速率(例如，至多达约10,000℃/min)以及高烧结温度(例如，至多达约3,000℃)。加热源的高加热速率和高温使超快烧结时间少于10秒，而总加工时间为约45秒或更短。此外，UHS方法是可以规模化的，并且在固有特性和制备方面对样品的要求极低，从而提供通用且快速的陶瓷合成和烧结。UHS可以进行通过计算预测新材料的快速实验验证，有助于材料发现。因此，本文公开的系统和方法为可应用于广泛领域的快速材料筛选和合成，包括电池、3D打印陶瓷和具有除此之外难以探索的巨大组成空间的高熵陶瓷，提供了显著进展。

根据本公开的各方面中，并且如本文稍后更详细的解释，UHS方法在单个步骤中由氧化物前体直接合成陶瓷，其中前体颗粒在两个碳带之间通过辐射加热快速且均匀地烧结。较短的烧结时间会防止挥发物蒸发和界面处有害的相互扩散(即，交叉污染)。此外，UHS方法与陶瓷前体的3D打印相容，除了产生多层陶瓷复合物之间明确定义的界面外，还能产生烧结后保留的新型结构，适用于薄膜SSE应用。

用于合成陶瓷或其它固体材料的UHS方法具有以下属性。(1)UHS方法可以直接将前体合成并烧结成固体致密的陶瓷或玻璃薄膜，将烧结时间从几十小时减少到不到十秒，这容许快速会聚至成功合成用于快速材料筛选。(2)高温导致熔化和合并的晶界，同时避免/减轻失控的晶粒生长。这种控制导致出色的性能和优异的机械和电化学性能。(3)较短的烧结时间避免/减轻了固态电解质(SSE)在合成过程中的锂损失问题，并避免/减轻了副反应，并导致多层结构没有交叉扩散。(4)UHS方法是用于宽范围陶瓷、玻璃和其它固体材料的一种通用方法。这些属性证明了UHS方法作为发现陶瓷、玻璃和其他固体材料的物理化学方法的独特性。

本公开的部分内容涉及于2019年5月17日提交的美国临时专利申请第62/849,578号，其通过引用以其整体结合于本文中，并且在本文中可称为“补充材料”。

本公开的部分内容涉及于2020年4月30日提交的美国临时专利申请第63/022,083号，其以其全部内容通过引用结合于本文中，并且在本文中可称为“补充材料B”。

现在参考图1，显示了用于烧结材料前体的示例性UHS过程。前体110在至多达约3,000℃的高烧结温度下，在一个步骤中约10秒内直接烧结成致密陶瓷粒料130。相比之下，传统陶瓷合成是两步过程，包括800-1,000℃下进行5-10小时的固态反应步骤以从前体形成陶瓷相，然后在通常1,000-1,600℃下进行长达数小时的烧结以形成致密组分。一般而言，UHS烧结方法比传统烧结方法快约2-4个数量级(补充材料，表S1)。

在图1中，显示了UHS方法的示例性实施方式，其中前体粒料110直接“夹在”两个毯状焦耳加热碳带120之间，该碳带可以通过辐射和/或传导快速加热样品粒料110而形成快速合成(固态反应)和反应烧结的均匀高温环境。在惰性气氛中，碳加热元件120可以提供高于3,000℃的温度(补充材料，图S1)，这足以合成和烧结几乎任何陶瓷材料，但大多数并不需要这么高的温度。在UHS方法的各个实施方式中，加热元件120可以在约30秒或更短的时间内从室温上升到烧结温度，接着约10秒烧结时间，然后约5秒快速冷却。较短的加工持续时间使得可以对含有挥发性组分(例如，锂离子电池固态电解质中的锂)的陶瓷进行出色的组成控制，并可以防止失控的晶粒生长，从而获得出色的材料性能。

加热元件120的温度可以调节至不同的升温速率，包括约100℃/min至约20,000℃/min的加热速率和约100℃/min至约10,000℃/min的冷却速率。加热元件120可达到的温度范围可以为约500-约3,500℃。在最高烧结温度下，UHS方法可以在不到10秒的时间内将陶瓷、玻璃或其他固体材料由前体110直接烧结成致密粒料130。由于快速烧结速度，挥发性材料的气化和潜在的交叉污染可以显著最小化，这使多种材料可以一步共烧结。

相比之下，传统陶瓷合成方法涉及多个步骤和长时间。前体首先在约800-1000℃下煅烧5-10小时以形成陶瓷相。然后将材料重新研磨成陶瓷粉并压制成粒料，然后在约1000-1200℃下再烧结10-30小时，以形成致密粒料。如果陶瓷中含挥发性组分，则需要额外添加含有过量挥发性组分的陶瓷粉床，以补偿长时间烧结过程中的高温气化。烧结时间长会导致失控晶粒生长和不均匀尺寸分布(补充材料，图B1A)，而烧结温度相对较低会导致弱结合晶界，这会降低机械强度并影响陶瓷的均匀性特性。

当加热元件120与材料110之间的空间较小时，或材料110直接接触加热元件120时，相比于传统炉，样品110的升温速率可以更快，并且温度分布更均匀。UHS方法的短烧结时间可以控制晶粒生长，而高烧结温度确保晶界良好焊接，从而导致UHS烧结陶瓷的小晶粒均匀分布和良好融合(补充材料，图B1B)。下面结合附图将会描述UHS系统和方法的各实施方式。

图2是用于UHS方法的加热元件的示例性配置的图解。一个加热元件210位于材料230的一侧，而第二加热元件220位于材料230的另一侧。加热元件210、220可以完全或部分与材料230接触，或可以定位于距离材料230 1cm或更小处。材料230可以以各种方式，如通过用于UHS方法的炉中的托盘支撑。在各个实施方式中，加热元件210、220定位为使它们基本上彼此平行。在各个实施方式中，加热元件210、220定位为使它们基本上平行于最靠近加热元件的材料230表面。加热元件210、220定位成更靠近材料230，将会使材料230以更快的加热速率受到加热。即使在约1cm的距离处，加热元件210、220也可以以足够的加热速率加热材料230以在几秒，如10秒内完成烧结过程。在各个实施方式中，材料230可以位于底部加热元件220之上，而顶部加热元件210则可以相距于材料230 1cm或更小的距离。当顶部加热元件210和底部加热元件220距离材料220的距离不同时，加热元件210、220可以以不同的加热速率加热或可以基于不同距离达到不同的温度。例如，当材料230位于底部加热元件220上时，底部加热元件220则可以被加热到比顶部加热元件更低的温度。

在各个实施方式中，加热元件210、220可以由导电碳材料制成，如碳纸、碳毡、碳布、石墨纸、石墨毡、石墨布、石墨膜或石墨板。在各个实施方式中，其他导电材料或复合材料可以用于加热元件。加热元件210、220可以基于待烧结材料的尺寸和为满足制造需要确定尺寸。当加热元件210、220由导电材料制成时，加热元件210、220可以通过使电流通过加热元件210、220的导电材料的电源(未显示)加热。通过加热元件210、220的导电材料的电流量对应于加热速率，而使加热速率和电源可以由控制器(未显示)通过提供穿过加热元件210、220的导电材料的所需量的电流进行控制。加热曲线在关于具体材料的补充材料中有更详细的描述。此处应该充分注意的是，电流应该沿相同方向通过加热元件，以使加热元件210、220沿相同方向对材料230施加热量。在各个实施方式中，加热元件210、220可以具有约2cm宽度和10cm长度。加热元件的其他形状和尺寸预期都处于本公开的范围内。

加热环境可以是真空或可以包括惰性气体、Ar、N₂、氢气、二氧化碳、氧气、空气和/或其他气体中的一种或多种。加热环境可以根据材料的类型和加热元件的类型而不同。

图3是包括向加热元件施加压力的UHS系统的图解。加热元件310、320和加热环境可以与结合图2描述的那些相同。加热元件310、320定位成与材料330接触，并且可以通过各种机构340、350，如液压板、机器人/机械臂或其他机械压力施加器将压力施加到加热元件310、320。在各个实施方式中，加热元件310、320可以固定至压力施加器340、350。压力的施加可以使烧结材料360具有更高的密度。在各个实施方式中，施加的压力的量可以由控制器(未显示)基于所需密度和/或基于其他参数进行电控。

图4是包括传送带的UHS系统的图解。加热元件410、420和加热环境可以与结合图2描述的那些相同。材料430可以定位于传送带440上，并且加热元件410、420可以定位于距离待烧结材料430小于1cm的位置处。传送带440可以由耐热材料制成，其可以承受加热元件410、420的高温并可以快速加热和冷却。在下加热元件420在传送带440下方的实施方式中，下加热元件420可以加热到比上加热元件410更高的温度以提供更均匀的烧结。在各个实施方式中，下加热元件420可以合并于传送带440中并构成传送带440的一部分，而使待烧结材料430可以定位为与直接在传送带440上的加热元件420接触。在材料430与下加热元件420接触的实施方式中，下加热元件420可以被加热到比顶部加热元件410更低的温度，以提供更均匀的烧结。因为烧结时间可以非常短(例如，十秒)，则传送带440可以连续操作以进行快速烧结和高产量制造。在各个实施方式中，加热元件410的尺寸可以小于材料430的尺寸，而使整个材料430通过传送带440推进材料430进行烧结。

并非传送系统的每个组件都被显示或描述，而本领域技术人员应认识到和理解这样的组件。例如，移动传送带的传送带系统可以包括辊、马达和控制器等组件。控制器(未显示)可以控制电源以加热加热元件并且可以控制输送系统以推进材料。此外，传送带可以用于其他目的，如将结合图10和11描述的固体材料的后处理。出于其他目的，加热元件可以定位于距材料几英寸远处，并且可以调节传送带的滚动速度，而使材料可以加热一段合适的持续时间，如1秒-1小时，或其他持续时间。

图1-4的实施方式是示例性的并且预期的变化都处于本公开的范围内。例如，在各个实施方式中，可以仅使用一个加热元件而不是使用两个加热元件。在各个实施方式中，图1-4的系统和方法不是具有两个加热元件，而是可以只有一个加热元件。加热元件加热到目标温度的时间可以进行变化。烧结材料的时间量可以不同，并可以为一秒到一小时。

图5是包括用于材料顶层烧结的可移动加热棒的USH系统的图解。加热棒530可以包括由结合图2的加热元件描述的材料制成的加热元件。该加热元件可以固定至可以将加热元件移动跨过材料510的表面的机械臂或其他机械机构(未显示)。如上描述的，该加热元件可以定位于距材料510的表面约1cm或更小的距离处。加热棒530可以横跨材料510的表面扫描以烧结材料的顶层540，如在基材520、薄膜或其他多层结构上方的涂层510。并非加热棒系统的每个部件都被显示或描述，而本领域技术人员应认识到和理解这样的部件。例如，移动加热棒的加热棒系统可以包括马达、传感器和控制器等组件。控制器可以控制电源而使加热棒加热，并且可以控制机械臂或其他机构横跨材料表面移动加热棒。

在各个实施方式中，加热棒530UHS系统可以应用于涉及钢粉的涂层510过程。例如，在涂层过程中，可以将含有3wt％-5wt％聚合物粘合剂的钢粉(例如，单质金属即Fe、Mn、Ni、Cr的粉末混合物，粉末尺寸1-5μm)分散于乙醇中而制成浆料。浆料的粘度可以通过调整金属粉末和聚合物粘合剂用于不同的涂层技术(包括喷涂和刮刀)的浓度而控制。然后粉末浆料可以沉积于钢基材或管壁上，湿厚度为～5mm。涂层在空气中干燥后，可以将温度为～1500℃的碳加热棒靠近涂层上方行进，而使涂层烧结成致密钢层。经过UHS烧结过程之后，靠近碳加热棒的涂层区域在约5秒内烧结成致密且有光泽的钢。横截面SEM图像显示，烧结钢厚约1mm，致密，并与钢基材紧密结合(补充材料B)。

因此，上文描述了用于实施UHS方法的各种系统。以下段落将描述UHS方法在各种结构和用途中的应用。

图6是可以使用UHS系统和方法烧结的3D打印结构的图解，其包括复杂的3D打印结构610、有序3D打印结构620、多孔3D打印结构630和纹理状多孔3D打印结构640。3D打印结构610、620、630、640的组成可以包括各种固体材料，包括陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和其他固态材料及其复合材料。3D打印结构610、620、630、640的几何结构可以是任何形状。这些结构可以通过3D打印方法形成，包括挤出、UV辅助固化、喷墨或任何其他打印技术。在各个实施方式中，3D打印结构610、620、630、640可以是具有不同组成和复杂结构的功能器件。

UHS系统和方法的均匀温度分布使得该结构可以在各个方向上均匀收缩，这在UHS烧结之后会保持印刷结构612、622、632、642的形状。因此，UHS方法在烧结612、622、632、642之后会保持器件的组成和结构而获得功能器件。在各个实施方式中，经过UHS过程后，烧结的3D打印结构612、622、632、642可以保持优异的机械、电、光、热、声、磁和其他物理和化学特性。在各个实施方式中，该3D打印结构可以用作其他应用如催化的支撑材料。在各个实施方式中，该UHS系统和方法可以用于烧结复杂多孔结构630或纺织品状多孔结构640。多孔结构630可以是3D或2D结构，其可以具有各种形态并可以是随机或有序化结构。多孔结构630的孔隙率和孔径大小可以不同。在各个实施方式中，经过UHS过程的2D纺织品状结构642可以具有柔韧性。根据本公开的各方面中，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以用于烧结所有此类三维和/或多孔结构，无论它们是通过3D打印或其他方式形成。所示的三维结构是示例性的，并不限制本公开的范围。所公开的UHS系统和方法一般适用于所有三维结构。

图7是将UHS系统和方法应用于粉末的图解。图7的顶部显示了UHS过程中的反应性烧结的实例，其中前体粉末710发生反应并烧结成致密块体720。组合物A、B、C和D可以是单质粉末或氧化物前体710。当粉末是前体粉末710时，在UHS过程中的一个步骤中，前体粉末会快速反应并烧结成致密的块状样品720。例如，在图7中，前体粉末A、B、C和D710在UHS烧结期间发生反应而形成所得的块状材料E 720。图7显示了UHS方法中直接烧结的实例，其中粉末730直接烧结成致密块体720。在底部，粉末730可以是复合粉末730，其形成复合物而它们之间没有发生反应。当粉末730是所得块状材料720的合成/复合粉末730时，在UHS烧结过程中粉末730之间没有发生反应。对于粉末而言，可以调节烧结温度，而使粉末部分或完全熔化以形成致密结构。因此，在烧结粉末的情况下，术语“烧结”允许粉末完全熔化。

在本公开的各方面中，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以用于直接由粉末快速烧结金属和合金。由于UHS的超高温，UHS过程可以直接由粉末快速烧结金属和合金。用于合金烧结的粉末可以是单质粉末的混合物，或可以是与所得块状材料具有相同组成的预合金化粉末。金属和合金可以在各种类型的UHS系统中进行烧结，包括图1-5中所示的UHS系统。以下表1提供了可以通过UHS方法烧结的组合物的非限制性实例。表1中未显示的其他组合物也可以通过UHS方法进行烧结。

表1

在各个实施方式中，金属和合金可以以特殊结构的形式，如上文结合图5描述的3D打印结构进行烧结。在各个实施方式中，该UHS方法可以应用于形成双层或多层结构的逐层打印和烧结方法中的金属涂层，这在下面结合图8描述。例如，该UHS方法可以烧结BMG/晶体双层或多层结构。在各个实施方式中，该UHS方法可以快速烧结各种各样的金属和合金，包括Al、Ti、Cu、Fe、难熔金属、难熔合金和硅化物合金，它们都可以由单质粉末的混合物直接烧结。这些金属和合金的烧结温度从约1000℃到约3000℃不等。除了单组合物粒料之外，UHS方法还可以用于多种材料共烧结，如Cu/Fe双层粒料的共烧结。

在本公开的各方面中，本文公开的USH系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以应用于直接由粉末烧结陶瓷。陶瓷可以在各种类型的UHS系统中进行烧结，包括图1-5中所示的UHS系统。下表2提供了可以通过UHS方法烧结的陶瓷组合物的非限制性列表。

表2

在各个实施方式中，陶瓷也可以以特殊结构的形式，如上文结合图6描述的3D打印结构烧结。在各个实施方式中，UHS方法可以应用于形成薄膜、双层或多层结构的逐层打印和烧结方法中进行陶瓷烧结，这在下面结合图8和图12描述。例如，通过UHS方法可以烧结多个薄膜离子导体和压电陶瓷。

在本公开的各方面中，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以应用于直接由粉末烧结玻璃或透明陶瓷。用于玻璃或透明陶瓷的粉末可以是前体粉末的混合物，或可以是具有与所得块状材料相同的组成的预合成粉末。该玻璃或透明陶瓷可以在各种类型的UHS系统中进行烧结，包括图1-5中所示的UHS系统。下表3提供了可以通过UHS方法烧结的玻璃或透明陶瓷组合物的非限制性列表。

表3

在各个实施方式中，玻璃或透明陶瓷也可以以特殊结构的形式，如上文结合图6描述的3D打印结构进行烧结。在各个实施方式中，该UHS方法可以应用于形成薄膜、双层或多层结构的逐层打印和烧结过程中进行玻璃或透明陶瓷烧结，这在下面结合图8和图12描述。

在本公开的各方面中，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以应用于直接由粉末烧结硼化物、碳化物和氮化物。硼化物、碳化物和氮化物的粉末可以是前体粉末的混合物，或可以是具有与所得块状材料相同的组成的预合成粉末。硼化物、碳化物和氮化物可以在各种类型的UHS系统中烧结，包括图1-5中所示的UHS系统。以下表4提供了可以通过UHS方法烧结的硼化物、碳化物和氮化物组合物的非限制性列表。

表4

在各个实施方式中，硼化物、碳化物和氮化物也可以以特殊结构的形式，如上文结合图6描述的3D打印结构进行烧结。在各个实施方式中，该UHS方法可以应用于形成薄膜、双层或多层结构的逐层打印和烧结过程中的硼化物、碳化物和氮化物烧结，这在以下结合图8和图12描述。

图8是通过应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)形成的示例性双层或多层结构(双层是多层的一个实例)的图解。双层结构可以具有第一层810和第二层820。如图所示的多层结构具有层820、822、824和826等。层810-826的组成可以是任何固体材料，包括陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和/或其他固态材料。双层或多层结构810-826的层可以是致密的或多孔的。本文的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以应用于双层结构，其中层810中的一层是多孔结构而另一层812是致密层(或反之亦然)，从而形成多孔致密双层。多孔层810可以浸透电池和燃料电池应用的电极材料。在UHS系统和方法也可以应用于任何多层结构，如用于固态电池、液流电池和/或燃料电池应用的多孔致密多孔多层结构。由于UHS的烧结时间短，多层结构的组成将保持不变，也不会发生交叉反应或扩散。

在各个实施方式中，双层或多层结构可以是离子导体/固态电解质(SSE)。通过开发双层陶瓷作为固态电解质，可以结合不同电解质的优点，而形成固态电池中具有优异性能的多功能SSE。例如，石榴石可以作为与锂金属稳定界面的负极，而与正极具有良好界面的另一层可以位于正极。其他双层或多层薄膜(例如，三层或更多层)也可以是SSE，并且其他双层和多层结构材料也预期处于本公开的范围内。

在各个实施方式中，该UHS方法可以用于烧结金属和合金双层和多层。每层810-826的组合物可以是任何金属、合金和块状金属玻璃(BMG)。高温烧结金属、合金和BMG的组合物可以是任何金属、合金、金属玻璃、金属间化合物以及其他金属和合金及其复合材料。该UHS方法使BMG和晶体组合物可以成功共烧结而形成双层或多层结构，这种结构结合了BMG和晶体的机械优点。由于烧结时间短，层与层之间的扩散非常小/最小化(例如，小于10μm)，而使每层都可以保持原始结构。例如，铁基BMG/晶体双层可以使用UHS方法进行共烧结。XRD图案显示出每层的纯晶体和玻璃相(补充材料B)，表明层之间没有明显的副反应。双层设计也可以扩展到其他金属系统。为了进一步改善机械性能，可以在BMG层中添加一些晶相以增加延展性(补充材料B)。在这种情况下，具有低玻璃形成能力的BMG组合物可以用于BMG层中原位产生一些晶相。由于烧结速度快，其他晶相也可以添加到BMG层中而不会交叉扩散。

图9是应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)进行各组合物共烧结而形成复合材料结构的图解。在图9的左侧，该复合材料具有混合物912和其他结构910。在图9的右侧，该复合材料具有核-壳结构922和其他结构920。如本文所用，术语“共烧结”可以是指应用UHS烧结多种组成而形成复合材料结构。由于UHS烧结时间短，复合材料结构的组成将保持无/最小化交叉反应或扩散(例如，小于10μm)。复合材料结构的组合物910-922可以是任何固体材料的组合，包括陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和/或其他固态材料的组合。

作为实例，复合SSE可以利用不同组合物的优点实现优异的SSE。通过引入熔融玻璃态，复合SSE可以在较低温度下烧结并形成更致密结构。例如，通过在LLZTO石榴石中添加Li₃PO₄可以烧结出微晶玻璃复合SSE，其中Li₃PO₄可以在高温下并与LLZTO颗粒焊接而形成致密复合材料粒料。EDS图表明没有明显的交叉掺杂(补充材料，图B20)，XRD图证实没有第二相或副反应(补充材料，图B20A)。相比之下，Li₃PO₄和LLZTO在1200℃下烧结一小时期间会发生严重的副反应(补充材料，图B21B-D)。因此，由于超快的烧结速度，UHS方法使陶瓷和玻璃材料的新结构设计成为可能。图9的UHS方法可以用于烧结具有两种或多种组成的其他复合材料结构。复合材料内容物910-922的组合物可以是陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和其他固态材料。该复合物材料的结构可以是多相的混合物(如图9左侧所示)，也可以是核-壳型(如图9右侧所示)，也可以是其他结构。

图10是应用UHS系统和方法对固体材料进行后处理的图解。固体材料1010可以预先合成或可以通过其他烧结技术形成。然后，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5)可以应用于固体材料1010作为后处理。例如，加热元件1010可以定位于与材料1010距离1mm到几英寸处。UHS后处理可以使所处理的固体1010经历结构、组成、结晶度、形态、表面或其他变化。所处理的固体材料1030可以具有优异的机械、电、离子、光学、热、声、磁和/或其他物理和/或化学性能。在各个实施方式中，该固体材料可以是具有优异UV-Vis-IR性能或其他光学特性的玻璃或其他光学材料。固体材料1010的组合物可以是任何固体材料，包括陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和其他固态材料及其复合材料。

图11是应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5)处理固体材料1110的表面的图解。固体材料1110可以是陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和/或其他固态材料。在各个实施方式中，固体材料1110可以与加热元件1120直接接触或可以与加热元件1120相距1mm至几英寸。在各个实施方式中，该UHS方法和高温可以快速加热样品表面而形成新表面层1130，其具有新的结构、形态、组成或其他特性变化。UHS处理温度和时间可以调节以实现表面层1130的所需厚度或性能。因此，该UHS方法可以仅引起固体材料的新表面层1130的变化，而不会在新的表面层1130之下引起整体性能1110的任何变化。因此，该UHS表面处理可以引起固体材料的表面1130的结构、组成、结晶度、形态和/或其他性能的变化。所处理的表面1130可以具有优异的机械、电、离子、光学、热、声、磁和/或其他物理和/或化学特性。

图12是应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5)处理基材表面上的薄膜的图解。薄膜1212可以通过溅射、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)和/或其他沉积技术而沉积于基材1210上，并且沉积的薄膜可以具有非晶态结构体。例如，通过ALD或PLD可以沉积LiPON、LLZO和/或LATP离子导体，以提高离子电导率。应用UHS处理薄膜可以引起所处理的膜1230的性能产生有益变化。在各个实施方式中，薄膜1212的厚度可以为1nm至数毫米。薄膜1212和基材1210的组合物可以是任何固体材料，包括陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和/或其他固态材料及其复合材料。加热元件1220可以定位于与材料1212相距1mm到几英寸的位置并且可以调节处理温度和时间。例如，该加热元件可以是如上文的导电加热元件并且可以被加热到500-3000℃的温度，包括端值。该加热元件可以在例如约十秒内或在另一持续时间如一秒到一小时内烧结出材料1212。加热元件1220可以具有足够的尺寸以覆盖整个材料1212或可以在材料1212上方移动以烧结整个材料1212。

图13是将本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-12、15、23)应用于电极材料和固态电解质(SSE)共烧结的图解。在电极1320和SSE1310的共烧结中，目标是在固态电池中实现良好的界面以提高性能，但共烧结期间的交叉扩散和副反应是常规烧结技术的问题。在UHS方法中，由于交叉扩散非常低/最小，电极材料1320可以烧结于SSE 1310上，导致无副反应产生共形界面1332。该UHS方法可以原位合成和共烧结具有良好界面1332和极小/无交叉掺杂的电极材料1330和SSE 1310，如图13所示。例如，LCO正极可以使用UHS方法由LiOH和Co₃O₄前体直接合成和烧结于所烧结的LLZTO石榴石上。高温为形成LCO正极提供了快速而彻底的反应，而较短的烧结时间显著减少了正极和SSE之间潜在的副反应。如图13所示，EDS映射表明没有明显的交叉掺杂。此方法可以应用于其他电极材料1320(如NMC、LiFePO₄、Li₂S和其他Li、Na、K、Mg、Zn电极材料等)和其他陶瓷或玻璃SSE 1310(如LLTO、LATP、NASICON、LISICON、Thio-LISICON、Na离子导体和其他固态离子导体或其复合材料)。

图14是应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-12、15、23)共烧结1420和制造固态电池的图解。作为共烧结固态电池的实例，LLMO这种用作电极的电-离子混合导体材料可以与LLZTO石榴石进行共烧结。如图14所示，该LLMO层与石榴石SSE接触良好，EDS映射1440表明UHS烧结后无明显交叉掺杂。Li可以涂覆于石榴石SSE 1430的另一侧，并且可以在LLMO上涂覆一层CNT作为集电器1410。所得固态电池可以在室温下直接循环，而无需添加任何液体电解质。LLMO的混合导电性使所有固态电池具有低电阻。电压分布曲线如补充材料，图B22中所示，其中约1.6V和1.2V处有两个平台。计算结果表明这两个平台可能分别对应于Li3-Li5和Li5-Li7锂化过程。补充材料，图B22中显示的循环性能表明，全固态电池在超过600次循环中具有出色的循环稳定性。因此，任何全固态电池都可以通过具有出色界面和电池性能的UHS系统和方法进行组装。这种技术可以扩展到制造其他固态电池或燃料电池。该电极材料可以是NMC、LiFePO₄、Li₂S以及其他Li、Na、K、Mg、Zn电极材料。该电极包括正极和负极。该固态电解质可以是陶瓷、玻璃等固态离子导体或其复合材料，如LLTO、LATP、NASICON、LISICON、Thio-LISICON等锂离子导体，Na离子导体，K离子导体，O离子导体，H离子导体和其他离子导体。该电极材料也可以在没有副反应的情况下烧结到多孔SSE中。

图15是应用UHS系统和方法制作打印薄膜电池的图解。SSE和电极都可以用浆料方法打印1510、1530，然后快速UHS烧结1520、1540，以在电极和SSE之间形成致密层和良好界面。

对避免使用易燃液体有机电解质的更安全可充电电池的需求已经推动了固态电解质(SSE)的发展，如氧氮化磷锂(LiPON)和石榴石基陶瓷化合物。SSE薄膜(小于10μm)具有>10^-4S/cm的高离子传导率，是实现高能量和功率密度的理想选择。已经开发了各种方法合成薄膜陶瓷SSE(例如，石榴石)，但它们在烧结薄膜电解质方面存在挑战，并导致严重的Li和Na损失以及相应的低离子传导率。其他方法提供具有50-800μA/cm²的低电流密度的固态薄膜电池，但大规模应用(例如，电动汽车)却需要至多达3-10mA/cm²的电流密度。

本公开提供了使用UHS方法合成薄膜陶瓷SSE的系统和方法，并且在本文中称为“打印和辐射加热”，或PRH。PRH提供了用于合成具有改进可扩展性的陶瓷薄膜SSE的基于溶液且可打印的技术。PRH使用至多达1500℃的烧结温度运行较时间段(例如，三秒)。快速加热可以形成致密多晶薄膜结构，但由于烧结时间短，挥发性元素损失可以忽略不计。在PRH方法中，前体膜被打印于基材1502上，其厚度通过控制油墨浓度和湿厚度调整。然后将风干的前体膜与辐射加热条(例如，约1500℃)紧密接触以通过使用UHS方法进行快速近距离烧结1504，如图15的顶部所示。该焦耳加热的条带以几秒的总加热持续时间横跨前体膜以完成烧结过程1506。在各个实施方式中，可以使用传送带系统(例如，图4)代替加热条或加热棒。PRH方法可以用于在单晶MgO基材上制成Li_6.5La₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂(LLZTO)陶瓷薄膜SSE，其具有半透明、致密和均匀结构。所得陶瓷薄膜表现出优异的结晶度、可忽略的锂损失和与本体材料相当的高离子导率。PRH过程1502-1506不是材料特异性的，并且可以烧结一系列高性能固态薄膜。PRH-烧结薄膜1506在离子导率、通用性、化学计量、制造速度、结晶度和规模化方面具有显著优势，所有这些都极大地有利于固态电池的开发。

该PRH烧结方法基于辐射加热，其不是材料特异性的，并且可以应用于烧结各种各样组合物。例如，PRH方法的通用性可以用于由前体油墨溶液制造Li_0.3La_0.567TiO₃(LLTO)、Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(LATP)、β-Al₂O₃和PbZr_0.52Ti_0.48O₃(PZT)薄膜(补充材料B)，所有这些都含有挥发性组分。LLTO、LATP和β-Al₂O₃是高性能锂离子和钠离子导体，其薄膜面临着合成期间控制锂/钠损失的挑战。PRH方法可以通过喷涂将LLTO、LATP和β-Al₂O₃前体油墨打印于Al₂O₃基材上，然后高温(1500℃)烧结约3-5秒，这会提供均匀致密的薄膜，厚度为5-10μm(补充材料B)。LATP和LLTO薄膜可以在空气中烧结而防止Ti⁴⁺的潜在还原。根据EDS图(补充材料B)，与LLZTO薄膜类似，在SSE层和基材之间没有观察到明显的交叉掺杂或副反应。由于高烧结温度下的熔化效应，烧结薄膜的晶界融合良好。此外，由于三秒内的快速烧结过程，LATP、LLTO和β-Al₂O₃ SSE中的Li/Na损失最小，这从XRD图中的纯相中得到证实(补充材料，图S12-S14)。

PRH方法避免/减轻元素损失的能力可以应用于含有其他挥发性元素如Pb的材料。高温下Pb的气化是制造高性能压电陶瓷PZT的主要挑战之一。传统制造方法包括对溶胶-凝胶沉积的PZT薄膜进行低温(～500-800℃)处理，以避免/减轻烧结期间的铅损失和开裂。然而，低温处理的PZT薄膜通常具有较差的结晶度，这会影响薄膜的压电行为。相比之下，该PRH方法提供了更高的烧结温度(～1500℃)以获得具有优异结晶度的致密PZT薄膜，而较短的烧结时间大大减少了Pb损失。例如，PZT前体油墨可以直接打印于Al₂O₃基材上，然后在1500℃下快速烧结约3秒。烧结时间不足或烧结温度低会导致产生多孔或无定形PZT薄膜，而长时间烧结或高烧结温度会导致严重的Pb损失和相应的相变(补充材料B)。然而，优化的PRH烧结条件会导致PZT薄膜表现出具有良好融合晶粒的致密结构，而EDS映射图示说明了Pb元素均匀分布(补充材料B)。XRD图表现出纯PZT相，没有由于Pb损失引起的第二相(补充材料B)，这进一步证明了PRH方法合成具有挥发性组分的陶瓷薄膜的独特能力。因此，PRH方法具有减轻/防止挥发性元素损失而实现优异组成控制的能力(补充材料B)。

除了单组分薄膜外，PRH方法还可以用于快速烧结复合薄膜，因为较短的烧结时间可以有效防止材料之间的副反应。例如，PRH方法可以用于烧结LiBO₂-LLZTO复合SSE薄膜。所得材料的特征是LiBO₂均匀分布于具有保形界面的LLZTO晶粒之间，并且没有明显的共掺杂，这可能是由于即使在1200℃的高烧结温度下烧结时间也很短，仅为3秒所致。相比之下，在传统炉中烧结相同的材料一小时会产生具有大反应晶粒的多孔结构，而不是致密复合材料(补充材料B)。因此，在传统炉中长时间烧结会导致组分之间出现明显的交叉扩散和副反应，而PRH方法可以避免/减轻此类副反应以生成复合结构(补充材料B)。制造宽范围的单组分和多组分复合材料的能力表明，PRH方法在制造高性能陶瓷薄膜方面具有普适性。

通过PRH方法烧结的薄膜可以具有结构、组成、结晶度、形态或其他变化，并且具有优异的机械、电、离子、光学、热、声、磁和其他物理和化学性能。薄膜的厚度可以为1纳米到数毫米。薄膜和基材的组合物可以是任何固体材料，包括陶瓷、玻璃、金属、合金、碳、聚合物和其他固态材料及其复合材料。

继续参考图15的底部，PRH方法可以应用于通过逐层打印和烧结1510-1540制造具有分层结构的固态电池。例如，使用溶液方法(补充材料B)可以将LiCoO₂前体溶液打印于薄LLZTO粒料1510上，然后在约800℃(由于低反应温度)下将PRH烧结1520约三秒而原位合成LiCoO₂正极。然后，可以将锂金属负极涂覆于粒料1530和烧结层1540的另一侧，以形成用于循环测试的LiCoO₂/LLZTO/Li固态电池(补充材料B)。截面SEM成像和EDS图(补充材料B)表明，LiCoO₂正极均匀烧结于LLZTO表面上，具有保形和清晰的界面。PRH合成的LiCoO₂还表明XRD峰与标准LiCoO₂匹配很好，而没有太多的第二相，表明三秒烧结时间合成成功(补充材料，图S20)。由于高温和短烧结时间，烧结的LiCoO₂表现出晶粒尺寸为～200nm的纳米多孔结构(补充材料，图S21)和明确的共形界面，而没有与LLZTO石榴石明显的交叉掺杂(补充材料B)。为了促进多孔LiCoO₂层中的Li传输并避免/减轻由于循环期间正极体积变化引起的容量衰减，LiBO₂可以用作与LiCoO₂正极混合的固态粘合剂。由于LiBO₂可以在850℃左右熔化，因此可以使用PRH方法将LiBO₂前体直接打印并约3秒烧结于多孔LiCoO₂层中，从而形成均匀的复合结构(补充材料B)。

由于共形界面，PRH烧结电池在60℃时的界面电阻低至约100Ω·cm²(补充材料B)，这远小于其他共烧结全固态电池。打印电池的电压曲线表现出LiCoO₂正极的典型平台(补充材料B)，进一步证实通过快速PRH方法成功合成了LiCoO₂。此外，电池的倍率和循环性能在约450次循环后显示出良好的容量保持率和出色的循环稳定性(补充材料B)。具体而言，在30mA/g的电流密度下，初始比容量为约87mA·h/g。该容量随着电流密度的增加而略有下降，但在每个电流密度下的循环内几乎没有变化(补充材料B)。经过约450次循环后，界面电阻略微升高至约170Ω·cm²(补充材料B)，这进一步证实，原位烧结正极和由PRH方法合成的界面具有优异稳定性。

这种PRH过程1510-1540可以应用于其他电极材料(如NMC、LiFePO₄、Li₂S，以及其他Li、Na、K、Mg、Zn电极材料等)和其他陶瓷或玻璃SSE(如LLTO、LATP、NASICON、LISICON、Thio-LISICON、Na离子导体和其他固态离子导体或其复合材料)。

图16是通过应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)形成的多层结构的图解。双层、三层和多层结构可以用于燃料电池和电池组(双层和三层是多层的具体实例)。在各个实施方式中，双层和多层结构可以通过3D打印或通过沉积方法形成。每层1610-1624的厚度为约1-500μm。多孔层具有电池和燃料电池的电极材料或电极材料与SSE的复合材料。致密层具有用于电池和燃料电池的固态电解质，其可以包括，但不限于，锂离子导体、钠离子导体、钾离子导体、质子导体、氧离子导体、镁离子导体和/或铝离子导体。对于双层结构，一层1610可以是多孔层，其可以浸透电池和燃料电池应用的电极材料，而另一层1612可以是致密的SSE。对于三层结构，层1620、1624可以是负载电极材料的多孔层，而层1622可以是分隔负极和正极材料的致密SSE。每个致密层可以是单个致密层或可以包括两层或更多层不同组合物的致密子层。

根据本公开的各方面，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以用于形成包含多层结构的固态电池。UHS可以应用于具有双层或多层SSE的共烧结电极而形成固态电池(双层是多层的具体实例)。通过开发多层陶瓷作为固态电解质，可以融合不同电解质的优点，在固态电池中形成具有优异性能的多功能SSE。例如，石榴石可以作为具有锂金属的稳定界面的负极侧，而与正极具有良好界面的另一层可以处于正极上。由于烧结时间短，多层或复合结构的组成将保持不变，交叉反应或扩散没有或最小。在各个实施方式中，多层SSE 1614、1624的任何致密层可以是单致密层或可以具有两层或更多层致密子层。

根据本公开的各方面，本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)可以用于形成包含单层或多层结构的液流电池或燃料电池。UHS可以应用于具有单层、双层或多层SSE的共烧结电极，以形成液流电池(双层是多层的具体实例)。负极和正极是多孔结构，允许电极材料在溶液中流动。由于烧结时间短，多层SSE的每一层的组成将保持不变，交叉反应或扩散没有或最小。

UHS还可以应用于具有单层、双层或多层SSE的共烧结电极而形成燃料电池(双层是多层的具体实例)。负极和正极是多孔结构，其允许氧气和燃料气体(氢气或一氧化碳，或甲烷)扩散。由于烧结时间短，多层或复合结构的组成将保持不变，交叉反应或扩散没有或最小。

图17是通过应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)形成的示例性热电器件的图解。p型薄膜1720或n型薄膜1730可以，例如，打印于基材1710上，并且可以进行烧结而在该基材上形成薄膜。所打印的薄膜1720、1730可以使用，例如，本文中公开的图5的系统和方法进行烧结。在各个实施方式中，n型薄膜和p型薄膜可以同时烧结或按序烧结。基材上烧结的p型薄膜和n型薄膜可以用于形成热电器件，如图17所示的实例。使用本文公开之中的系统和方法，可以将电极烧结于薄膜上。

形成热电器件的方法可以包括：在基材1710上提供p型薄膜1720，在基材1710上提供n型薄膜1730，将至少一个导电碳元件定位于距离p型薄膜1730和n型薄膜1720最远1cm处，通过电流将至少一个导电碳元件加热到500-3000℃的温度，包括端值，和通过至少一个已加热的导电碳元件的热量烧结p型薄膜和n型薄膜。在各个实施方式中，该至少一个已加热的导电碳元件可以在薄膜上移动/扫描。在各个实施方式中，该至少一个导电碳元件可以覆盖这两层薄膜。该薄膜可以同时烧结或按序烧结。至少一个电极可以沉积或烧结于所烧结的p型薄膜和/或所烧结的n型薄膜的至少一部分上。所图示和描述的实施方式是示例性的，并且预期都处于本公开的范围内。例如，该热电器件可以具有与所图示的不同设计。该加热元件可以由另一种类型的导电材料或组合物制成。

图18是通过应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)形成的示例性压电器件和薄膜的图解。UHS可以应用于具有压电薄膜2014的共烧结电极1810、1812，以形成压电器件，如压电致动器。薄膜1814可以打印或沉积于电极1810、1812之一上。所打印的薄膜1814可以使用，例如，本文公开之中的图18的系统和方法进行烧结。5。另一个电极可以使用本文公开的系统和方法进行沉积和烧结，或可以以本领域技术人员将会认识到的另一种方式进行沉积。

图19是通过应用本文公开的UHS系统和方法(例如，图1-5、10-15、21)形成的示例性热障涂层或环境屏障涂层的图解。对于热障涂层，涂层1920、1922的总厚度可以为1-500μm。该热障涂层可以包括多孔层1920和致密层1922。多孔层1920的孔径为约1-10,000nm或更小。本文公开的USH系统和方法可以用于将该热障涂层烧结于金属基材上或涂覆/处理过的金属基材上。顶部多孔层1920和底部致密层1920可以在单烧结过程中共同烧结，或可以在单个烧结过程中一次烧结一层。在各个实施方式中，该热障涂层或环境屏障涂层的各层可以进行沉积或打印，然后通过本文公开之中的图5的系统和方法烧结。

图20是通过应用UHS的材料的计算机筛选和制造的过程的图解。计算机筛选2010是一种快速材料发现技术，极大地促进了材料科学的进展。材料勘探/挖掘是基于设计原则组合元素和化合物的概念，而最近的人工智能(AI)通过大量计算和预测极大地加速了材料发现。对于理论预测，需要实际的材料合成以验证正确材料发现的计算。虽然与人工智能相结合的计算研究可以导致对新材料的许多预测，但这是实现在合成速度上验证这些预测的目标的限制因素。

该UHS方法可以快速可靠地合成2020，宽范围的陶瓷，可以快速验证通过计算机预测的新材料，从而大大加快对大块陶瓷材料的筛选速度。

作为实例，锂石榴石复合物(Li₇A₃B₂O₁₂，A＝La系，B＝Mo、W、Sn、Zr)可以用于证明通过计算机预测和UHS方法实现的这种快速筛选能力。如补充材料图3B中所示，预测了大量基于石榴石结构的具有其他非锂阳离子组合的复合物，并通过密度泛函理论(DFT)计算评价了它们的能量。这些计算机生成的假设Li7-石榴石复合物(补充材料，图3C)的相稳定性由船体(E_船体)上方的能量低值进行描述，这是由该复合物与相图上的稳定相平衡相比的能量差异确定。具有小E_船体(颜色编码为绿色)的材料应该具有良好的相稳定性，而高E_船体(颜色编码为红色)则表明相不稳定。组成筛选获得了大多数已知的化学计量Li7-石榴石，如Li₇La₃Zr₂O₁₂、Li₇Nd₃Zr₂O₁₂和Li₇La₃Sn₂O₁₂，这验证了这种计算方法。

作为快速合成和材料筛选能力的一个实例，可以选择特征在于补充材料图3C中列出的小E_hull值的计算机预测的Zr基和Sn基的石榴石组合物，对其使用UHS方法进行实验验证，其包括Li₇Pr₃Zr₂O₁₂(LPrZO)、Li₇Sm₃Zr₂O₁₂(LSmZO)、Li₇Nd₃Zr₂O₁₂(LNdZO)、Li₇Nd₃Sn₂O₁₂(LNdSnO)和Li₇Sm₃Sn₂O₁₂(LSmSnO)，以及相应的B位点0.5Ta掺杂组合物(例如，Li_6.5Sm₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂(LSmZTO))。补充材料图S13-17中显示的SEM图表明，新石榴石复合物合成和烧结良好，证实晶粒尺寸和微观结构均匀。最终的相对密度处于2-10μm范围内的典型晶粒尺寸的91％-96％范围内，这在短至10秒的UHS烧结中实现。此外，补充材料图S18中显示的XRD图证实，石榴石相(B位点掺杂的立方相，未掺杂的四方相)已成功合成为预测的稳定组合物。由于不同的La系元素，新发现的石榴石复合物表现出不同的光学特性，而不是典型的白色(补充材料，图3D)。这些新石榴石还具有～10-4S/cm的离子电导率(LNdZTO在补充材料图S19中显示为代表性样品)，与LLZO石榴石的离子电导率相当。该UHS方法也用于合成由计算机预测的不稳定石榴石复合物，如Li₇Gd₃Zr₂O₁₂和Li₇Yb₃Zr₂O₁₂。如预期的，尽管SEM图像显示出Li₇Yb₃Zr₂O₁₂和Li₇Gd₃Zr₂O₁₂晶粒烧结良好(补充材料，图S20A，B)，但根据它们的XRD图(补充材料，图S20C)，这两种组成没有形成石榴石相，这验证了计算机预测。

UHS的优点是高度可控的温度分布(即，加热/冷却速率和烧结温度)，这为合成陶瓷提供了合成常规工序难以获得的陶瓷的极好可调性。例如，DFT计算预测，Mo基Li7石榴石具有低E_hull值(补充材料图3C)，这是以前从未合成过的新型石榴石组合物。在合成这些Mo基石榴石时，可以看出，MoO₂前体倾向于在相对较低的温度(～1100℃)下熔化和气化，防止前体在高温下反应和烧结(补充材料图S21A)。补充材料图S21B和C中的低温烧结Li₇La₃Mo₂O₁₂(LLMO)石榴石的SEM成像和能量色散X-射线光谱(EDS)映射证实了这种性质，其表现出由熔化的MoO₂相包围的La₂O₃前体颗粒，表示反应极少。通过UHS方法出色的可调性，加热速率受到调节并烧结温度升高至约1500℃以加快反应速度，同时将烧结时间缩短至约3秒，以同时最小化MoO₂的气化(补充材料图S21D)。补充材料图S21E和F中的SEM图和EDS图表明，前体发生反应并生成新晶粒形态。此外，补充材料，图S22中的XRD图证实，已成功实现LLMO石榴石相，但仍然可以识别出一些未反应的La₂O₃和第二相。由于Mo的多电荷态和来自UHS还原气氛的可能缺陷，该烧结的LLMO石榴石颗粒表现出混合的离子-电子传导率。所测量的离子和电子传导率分别为约1.4×10^-5S/cm和约3.3×10^-6S/cm(补充材料图S23)。LLMO中的混合传导率作为固态电池的潜在电极材料很受关注。这些发现表明，UHS具有高度的可适应性，并可以轻松地为合成具有不同性能的各种材料进行计算机筛选和材料发现进行定制。

图21是用于同时共烧结多种材料的示例性UHS系统的图解。图示的系统可以快速合成和筛选陶瓷、玻璃或其他固态材料。例如，采用UHS加热元件2110、2120，使用20×5配置，其面积仅为～12cm×3cm(对于粒料粒径为5mm)，在约10秒内可以快速共烧结100多个陶瓷粒料2130，这对于材料筛选方法非常实用。作为这种规模化的一个实例，通过在一个步骤中直接由相应材料前体共烧结而合成了十种石榴石组合物(补充材料，图3F)。相比之下，SPS目前认为是制造大块陶瓷样品的高产量方法，因为其可以在约1-2小时的周转时间内生产一个样品，如果仅制备一个样品，其比UHS方法至少慢10倍。此外，SPS不能容易地在平行实验中进行，因为其需要多台昂贵的SPS仪器，这如果同时制备100个粒料，会使UHS的效率提高10³倍以上。

在各个实施方式中，该材料的尺寸可以从几毫米调整到几米以适应应用，并且UHS系统2110、2120的尺寸可以进行相应调整。样品材料可以与加热元件2110、2120直接接触或可以与加热元件2110、2120间隔开。对于每个UHS烧结操作，样品材料2130的组成可以相同或不同。材料2130的组合物可以包括，但不限于，陶瓷、玻璃、金属、合金、碳和/或其他固体材料。

因此，上文描述的是可以实现大块陶瓷的高产量制造以发现新材料、烧结含挥发性组分的热脆性复合物和制作不能由SPS或快速烧结制造的3D打印复杂结构和器件的系统和方法。此外，该UHS方法可以普适性应用于不同的材料，而不受其电气特性的影响。快速烧结使通过传送带(图4)对陶瓷进行可规模化的辊对辊烧结成为可能，因为前体膜可以快速通过加热元件而实现连续制造。该UHS技术中的薄型高温碳加热器也具有高度的灵活性，并可以保形地包裹用于非常规形状和器件快速烧结的结构(补充材料，图S30)。

该UHS系统和方法由于其高温(至多达约3000℃)，可以扩展到宽范围的非氧化物高温材料，包括金属、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物。此外，该UHS系统和方法可以用于制造功能梯度化材料(超越简单多层)，而有害相互扩散降至最低。该UHS方法的超快、远离平衡的性质可以产生具有非平衡浓度的点缺陷、位错和其他缺陷或亚稳态相的材料，从而产生所需的性能。具体而言，该超快UHS方法可以潜在地产生非平衡晶界，从而最小化杂质、掺杂剂和缺陷(包括非化学计量的晶界)的有害偏析平衡。这些在传统的高温制造方法中很难避免。因此，UHS系统和方法为减轻固体电解质中的高晶界电阻以及为固体电解质以外的广泛范围的其他材料定制各种晶界特性开辟了新的可能性。该UHS方法允许高度可控和可调的温度分布曲线，以实现对烧结和微观结构演变的出色控制。

本文公开的实施方式是本公开的实施例并且可以以各种形式实现。例如，虽然本文中的某些实施方式被描述为单独的实施方式，但本文每个实施方式可以与本文的一个或多个其他实施方式进行组合。在此公开的具体结构和功能细节不应该解释为限制性的，而是作为权利要求的基础和作为教导本领域技术人员在实际上任何适当详细结构中以各种方式应用本公开的代表性基础。在整个附图的描述中，相似的附图标记可以指代相似或相同的元件。

短语“在一个实施方式中”、“在各实施方式中”、“在各个实施方式中”、“在一些实施方式中”或“在其他实施方式中”可以各自指代根据本公开的一个或多个相同或不同的实施方式。“A或B”形式的短语表示“(A)、(B)或(A和B)”。“A、B或C中的至少一个”形式的短语表示“(A)；(B)；(C)；(A和B)；(A和C)；(B和C)；或(A、B和C)”。

应当理解的是，前述描述仅是对本公开的举例说明。在不脱离本公开的情况下，本领域技术人员可以设计各种替代和修改。因此，本公开旨在包括所有此类替代、修改和变化。参考附图描述的实施方式仅用于展示本公开的某些实施例。在此描述和图示的实施方式是示例性的，并且各变体预期都处于本公开的范围内。本文公开的各种实施方式可以以本文未明确描述的方式进行组合，并且预期此类组合都处于本公开的范围内。与上述和/或所附权利要求中描述的那些要素、步骤、方法和技术没有本质区别的其他要素、步骤、方法和技术也旨在落入本公开的范围内。

Claims (45)

1.一种制造方法，包括：

将材料定位于距第一导电碳元件0-1cm且距第二导电碳元件0-1cm；

通过电流将所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件加热至500℃-3000℃的温度，包括端点；和

通过用加热的所述第一导电碳元件和加热的所述第二导电碳元件加热所述材料一秒至一小时的时间段以制造烧结材料。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括开始加热所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件，

其中所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件在开始加热的三十秒内达到500℃-3000℃的温度，包括端值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件中的至少一个至少部分与所述材料接触，

所述方法还包括在加热材料期间施加压力以将所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件中的至少一个至少部分压靠于所述材料。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述材料保持于传送带上，

其中所述第一导电碳元件位于传送带的一部分的上方，

其中所述第二导电碳元件位于以下中的一种：所述传送带的一部分的下方的位置，或作为所述传送带的一部分，并且

其中定位所述材料包括使所述传送带行进以在所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件之间传送所述材料。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在所述时间段结束时，使所述传送带行进从所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件之间去除所述烧结材料，同时保持所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件的温度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述材料是具有组成和结构的3D打印材料，

其中所述烧结材料是保持所述组成和结构的功能器件。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述材料是具有多种组成的粉末，

其中制造所述烧结材料包括使所述多种组成在所述时间段内反应。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述烧结材料是以下中的一种：金属，合金，高熵合金，难熔金属，难熔合金，陶瓷或离子导体。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述烧结材料是玻璃致密结构或透明陶瓷致密结构中的一种，其中制造所述烧结材料包括使所述粉末至少部分熔化。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述材料是具有至少两个层的多层结构，其中所述烧结材料包括所述至少两个层之间的界面层，所述界面层的深度小于10μm。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述材料包括至少两种组成，

其中所述烧结材料是包括所述至少两种组成的复合结构，并且其中所述复合结构在所述至少两种组成之间具有界面层，所述界面层的深度小于10μm。

12.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中，在计算研究中确定所述材料，

所述方法还包括分析所述烧结材料以验证所述计算研究的计算结果。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述第一导电碳元件与所述第二导电碳元件之间定位多个附加材料；和

通过用加热的所述第一导电碳元件和加热的所述第二导电碳元件加热所述多个附加材料所述时间段以制造多个附加烧结材料，

其中，所述多个附加材料与所述材料同时共烧结。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在计算研究中确定所述多个附加材料。

15.一种炉，包括：

材料；

第一导电碳元件，位于距所述材料0-1cm处；

第二导电碳元件，位于距所述材料0-1cm处；

电源，配置为通过电流使所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件加热到500℃-3000℃的温度，包括端值；和

控制器，配置为控制所述电源以采用加热的所述第一导电碳元件和加热的所述第二导电碳元件加热所述材料一秒到一小时的时间段。

16.根据权利要求15所述的炉，其中，所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件中的至少一个至少部分与所述材料接触，

所述炉还包括压力机构，

其中，所述控制器配置为控制所述压力机构以在所述材料加热期间将所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件中的至少一个至少部分压靠于所述材料。

17.根据权利要求15所述的炉，还包括保持所述材料的传送带，其中所述传送带的一部分位于所述第一导电碳元件和所述第二导电碳元件之间，

其中，所述控制器配置为控制所述传送带以在所述第一导电性碳元素和所述第二导电性碳元素之间传送所述材料。

18.一种制造方法，包括：

将导电碳元件定位于距离材料至多1cm处，所述材料具有大于所述导电碳元件尺寸的尺寸；

通过电流将所述导电碳元件加热至500℃-3000℃的温度，包括端值；和

在所述材料上方移动加热的所述导电碳元件以提供处理的材料。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述材料上方移动加热的所述导电碳元件导致所述材料的退火。

20.根据权利要求19的方法，其中，所述材料的退火在所述材料的表面产生新表面层。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述材料包括基材上方的薄膜，所述方法还包括通过使用以下中的一种将所述薄膜沉积到所述基材上：溅射、化学气相沉积、原子层沉积或物理气相沉积。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述材料上方移动加热的所述导电碳元件导致所述材料的烧结以提供烧结材料。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：

在所述烧结材料上施加层；和

在所述层上方移动加热的所述导电碳元件以提供烧结层，

其中所述烧结材料和所述烧结层一起形成烧结多层结构。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述材料包括基材上方的涂覆的粉末，并且所述烧结材料包括所述基材上方的烧结涂层。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述材料是以下中的一种：固态电解质(SSE)前体的打印膜或SSE粉末的膜，

所述方法还包括将SSE前体浆料或SSE粉末之一分散到膜中，

其中所述烧结材料是烧结SSE膜。

26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述材料是涂覆于金属基材上的热障涂层，所述热障涂层包括顶部多孔层和底部致密层，其中所述顶部多孔层具有1-10,000nm的孔径，

其中所述烧结材料是所述金属基材上的烧结热障涂层，并且

其中所述顶部多孔层和所述底部致密层是以下中的一种：

在单个烧结过程中共烧结，或

在单独的烧结过程中一次烧结一层。

27.根据权利要求22所述的方法，其中，所述材料是涂覆于金属基材上的环境屏障涂层，

其中所述烧结材料是所述金属基材上的烧结的环境屏障涂层。

28.一种炉，包括：

材料；

导电碳元件，位于距所述材料至多1cm处，所述材料具有大于所述导电碳元件的尺寸；

电源，配置为通过电流使所述导电碳元件加热至500℃-3000℃的温度，包括端值；

机械臂，配置为在所述材料上方移动加热的所述导电碳元件以提供处理的材料；和

控制器，配置为控制电源加热所述导电碳元件，并配置为控制所述机械臂移动加热的所述导电碳元件。

29.一种结构，包括：

烧结复合结构，具有至少两种组成和所述至少两种组成之间的界面层，

其中，所述界面层具有小于10μm的深度。

30.根据权利要求29所述的结构，其中，所述烧结复合结构的是至少两种组成包括以下中的一种：金属和碳纳米材料，金属和陶瓷，或合金和合金、

其中所述碳纳米材料包括以下中的一种：纳米管或石墨烯。

31.根据权利要求30所述的结构，其中，所述烧结复合结构的所述至少两种组成中的每种是选自由以下组成的组中的材料：陶瓷，玻璃，金属，合金，碳或聚合物。

32.根据权利要求30所述的结构，其中，所述烧结复合结构的所述至少两种组成中的每种是以下中的一种：致密组成或多孔组成。

33.一种结构，包括：

烧结多层结构，具有至少两个层，

其中所述至少两个层中的第一层与所述至少两个层中的第二层具有不同的材料。

34.根据权利要求33所述的结构，其中，所述烧结多层结构的所述至少两个层中的每个包括选自由以下组成的组中的材料：陶瓷，玻璃，金属，合金，碳或聚合物。

35.根据权利要求33所述的结构，其中，所述烧结复合结构的所述至少两个层中的每个是以下中的一种：致密层或多孔层。

36.根据权利要求35所述的结构，其中，所述烧结多层结构的第一层是多孔层，且所述烧结多层结构的第二层是致密层，

其中所述致密层是以下中的一种：单个致密层或至少两个致密子层。

37.根据权利要求36所述的结构，其中，所述烧结多层结构的所述至少两个层包括第三层，其中所述第三层是多孔层。

38.根据权利要求33所述的结构，其中，所述第一层是固态电解质且所述第二层是不同的固态电解质，其中所述烧结多层结构构成多功能固态电解质。

39.根据权利要求33所述的结构，其中，所述至少两个层包括第三层，其中：

所述第一层是固态电解质，

所述第二层是电极，且

所述第三层是电极与固态电解质之间的界面层，其中所述界面层具有小于10μm的深度。

40.根据权利要求33所述的结构，还包括固态电池，

其中所述固态电池包括所述烧结多层结构，

其中所述烧结多层结构是固态电解质。

41.根据权利要求33所述的结构，还包括燃料电池，

其中所述燃料电池包括所述烧结多层结构，

其中所述烧结多层结构是固态电解质。

42.一种制造热电器件的方法，所述方法包括：

在基材上提供p型薄膜；

在所述基材上提供n型薄膜；

在距所述p型薄膜和所述n型薄膜至多1cm处设置至少一个导电碳元件；

通过电流将所述至少一个导电碳元件加热到500℃-3000℃的温度，包括端点值；

通过由加热的所述至少一个导电碳元件的热量烧结所述p型薄膜和所述n型薄膜；和

在烧结的所述p型薄膜或烧结的所述n型薄膜的至少一个的至少一部分上提供至少一个电极。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述p型薄膜和所述n型薄膜同时烧结。

44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述p型薄膜和所述n型薄膜依次烧结。

45.一种压电器件，包括：

第一电极和第二电极；和

所述第一电极和所述第二电极之间的烧结压电薄膜。

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