一、研究背景

随着现代生产制造业的发展，传统的加热技术因其加热速度慢而逐渐不能满足工业的需要，因此出现了许多加热速度快、加热温度高的新型加热技术，包括激光加热、微波加热、感应加热和火花等离子烧结（SPS）有一类加热技术利用了碳的低电阻，在惰性气体环境中通电后可以迅速加热，我们将其统称为基于碳载体的快速焦耳加热（CJH）技术。CJH技术显著提高了加热速率，达到105 K s−1，温度超过3000 K.6，这项技术已经引起了学术研究界的极大关注。

CJH技术的过程完全在惰性气体气氛中进行，碳材料是焦耳热的高效发生器。对碳材料施加电流可以产生大量的焦耳热。加热温度和持续时间可以通过控制施加电流的大小来精细调节。7,8在CJH过程中，微波辐射引起快速加热，导致碳热冲击，导致反应温度瞬间升高超过3000 K，整个过程的加热速率高达105 K s−1，仅需要几秒钟。近年来，研究人员在利用CJH技术制备各种功能纳米材料方面取得了重大进展。2018年，Hu等人报道了使用碳热冲击（CTS）技术在碳载体上制备含有八种不同元素的高熵合金CTS技术的原理遵循与CJH相同的方法。2020年，Hu等人发表了一项基于碳载体的快速焦耳加热对陶瓷材料进行有效烧结的研究，称为超快高温烧结（UHS）这种方法实现了陶瓷样品的快速烧结，在~ 40秒内产生致密的结构和优异的性能，从而显着提高了整体烧结效率。14,15在2021年，Wang等人利用UHS技术成功地在10秒内用一系列陶瓷sse在高温下将3D多孔支架快速烧结到不同的基板上多孔陶瓷支架可以显著降低电解液与锂金属阳极的界面电阻2021年，Ko等人报道了使用CTS技术可以优化氧化石墨烯(GO) -碳纳米管（CNT）复合材料的孔隙结构，从而提高其电化学性能。2022年，Hu等人发表了一篇利用UHS技术对二氧化硅玻璃进行无压烧结的研究，直接将二氧化硅纳米粉烧结成具有优异性能的透明玻璃。

所制备材料的性质可以根据所采用的制造技术而显著变化，并且相同的材料可以基于其独特的性质找到不同的应用。然而，工业加热技术目前在可实现的材料性能方面存在局限性，并且通常需要更高的成本来实现特定的材料性能。如图1所示，综述了几种由CJH技术制备的功能纳米材料及其应用领域。目前，大多数学术研究集中在利用CJH技术制备碳基纳米材料、陶瓷玻璃材料和金属材料上。该方法加热速度快，温度高，提高了材料的制备效率和性能例如，碳基纳米材料可以实现良好的孔隙结构；无机非金属材料表现出更高的致密性和更少的损耗；金属材料，如高熵合金，可以实现更大范围的金属种类和面积密度。

图1.该示意图展示了CJH技术的简单原理和本文所描述的各种材料，以及这些材料的应用。

功能纳米材料的特点是其独特的物理、化学和生物特性，源于其独特的纳米级结构和尺寸。这种纳米尺度的特性显著提高了它们的比表面积，增强了表面原子或分子的活性，并赋予了与传统材料不同的特性。功能纳米材料包括二氧化硅、陶瓷、碳、金属和功能纳米复合材料，在能源、环境和医学领域有着广泛的应用。因此，本文将从碳基纳米材料、陶瓷和玻璃材料、金属材料这三大类材料展开综述。给出了每种加热方法的实例，比较了CJH技术与其他加热方法的优点，并介绍了所制备材料的应用情况。我们利用这些见解来探索影响CJH技术材料结构的关键因素。随后，我们对该技术在未来发展中的潜在应用领域进行了展望。

二、摘要

与传统的加热技术相比，基于碳载体的快速焦耳加热（CJH）方法是一种新型的技术，可以提供更高的加热速率和超高温。在过去的几十年里，CJH技术在不同的应用场景下催生了几种原理相似的技术，包括超高速高温烧结（UHS）、碳热冲击（CTS）和闪蒸焦耳加热（FJH），这些技术在材料制备研究中得到了广泛的应用。功能纳米材料是当今研究的一个热门方向，主要包括纳米金属材料、纳米二氧化硅材料、纳米陶瓷材料和纳米碳材料。这些材料具有独特的物理、化学和生物特性，包括高比表面积、强度、热稳定性和生物相容性，使其成为各个领域各种应用的理想选择。CJH法是一种生产功能纳米材料的重要方法，因其显著的优势而受到人们的关注。本文旨在深入探讨CJH的基本原理，并阐明利用该技术高效制备具有优越性能的功能纳米材料。本文分为三个部分，每个部分都致力于介绍CJH技术制备三种不同材料类型的工艺和特点：碳基纳米材料、无机非金属材料和金属材料。我们讨论的区别和优点的CJH方法相比，在制备这些材料的替代技术，随着他们的性质的彻底检查。此外，还强调了这些材料的潜在应用。最后，对CJH技术的未来研究趋势和发展前景进行了探讨。

三、结论

显然，基于碳载体的快速焦耳加热（CJH）技术在过去几十年中已经成为纳米功能材料制备研究中的关键研究技术。本文综述了CJH技术的研究现状。阐述了该技术的基本原理，并通过对碳基纳米材料、无机非金属材料和类金属材料三种功能纳米材料的考察，探讨了CJH技术在制备工艺和应用领域的优势。

图2.(a) FJH工艺结构示意图和FJH工艺中温度与时间的关系图（插图）。（b-d）咖啡渣提取FG的HR-TEM图像。

图3.(a)使用焦耳加热石墨辊生产GFs的示意图。(b)两台调速电机驱动的连续电热设备原理图。(c)从下向上增加电功率加热胶片的快照。(d)测量了不同输入功率下薄膜的光谱辐射度。根据普朗克定律拟合光谱得到温度。(e)焦耳加热GF的照片，显示出极佳的灵活性和可折叠性。