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1研究背景
在材料科学领域，陶瓷材料因其卓越的机械、热和化学性能，在电子设备、可再生能源技术和极端环境下的组件中扮演着重要角色。然而，陶瓷的高硬度和脆性使得其成型过程既耗时又具有挑战性，这严重限制了陶瓷组件的几何形状，通常只能实现近净成形和平面形状。传统的成型技术，如注浆成型，由于复杂的脱模程序、有限的材料组成和长时间的干燥过程，限制了其广泛应用。而现代的成型方法，如注射成型和3D打印，虽然能够生产出致密的陶瓷生坯，但在烧结过程中需要长时间暴露于高温低加热速率下，以去除生坯中的聚合物，这往往导致烧结后的陶瓷性能受损。因此，迫切需要快速、可靠且经济的陶瓷成型方法。这项挑战一直是限制陶瓷材料广泛应用的主要障碍之一。
2成果简介
在这项研究中，研究人员提出了一种超快速陶瓷成型技术，利用热-机械场使陶瓷粉末生坯变形并烧结成复杂形状的陶瓷。该技术被称为超快速成型与烧结（USS）方法，它通过精确的热场激活最佳可变形性，并应用足够的机械载荷来引导变形。研究人员使用可编程的碳纤维Joule加热器，同时作为机械载体，有效地将施加的载荷传递给陶瓷粉末生坯。利用USS方法，研究人员成功制造了扭曲形状、拱形以及具有微图案的钛酸钡（BT）压电陶瓷。USS方法节能（每立方毫米约需1.06千焦耳）且高效（几分钟内完成）。总体而言，USS方法为成型陶瓷提供了一种有效的解决方案，并将其扩展到具有增强多功能性的3D几何形状。3图文导读
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图1USS过程的工作机理。a 绿色生坯表现出高脆性和较差的加工性。b USS过程的工作机理，依赖于机械和热场的合作，其中蓝色和红色箭头分别表示机械和热过程。c USS制造的拱形和扭曲BT陶瓷的照片。![]()
图2 USS过程的操作和性能。a USS平台的示意图，包括三个精密移动驱动器和一个碳纤维Joule加热器。b 扭转陶瓷的典型USS过程的示意图。c 处理元件和USS样品的温度曲线和数字图像。d 扭曲BT陶瓷的照片和扭转过程中BT陶瓷的SEM图像。e 数字图像显示了逆重力方向弯曲拱形BT陶瓷的过程。f 本研究中扭曲BT陶瓷的压电常数d33与当前复杂形状BT基压电材料的比较。g USS方法与现有陶瓷成型方法的处理时间比较。![]()
图3 通过扭转BT陶瓷对USS过程进行表征。a 碳纤维载体和包裹的陶瓷样品的扭转角度的示意图。b BT绿色生坯和碳纤维加热器/载体的数字图像。c 加工稳定性表征，说明加工路线对USS样品的最终形状没有显著影响。d 对扭转BT陶瓷的形状形成进行定量研究，其中点表示在60°、120°和180°输入角度下具有不同相对长度、宽度和厚度的样品的输出角度。e 扭转速率与加工温度的函数关系。红色点表示失败的测试速度（太快）![]()
图4 USS过程的应用潜力演示。a 通过USS过程在陶瓷上压印微图案的示意图和数字图像。b 具有压印微图案的BT陶瓷的表面图像。c 压制微图案的深度分布，与相应的母版图案匹配平滑且类似。d 应用演示，扭曲形状的压电陶瓷作为流体系统的泵。e 作为电子设备装甲的拱形氧化铝陶瓷的照片。f 涉及Joule加热器和两个可编程载荷阵列的设计，用于指导陶瓷样品变形。
4小结
研究人员通过热-机械场工程，即USS过程，成功地在保持压电性能的同时对脆性压电陶瓷进行成型，赋予了块状压电陶瓷更好的几何可变性。Joule加热的USS过程实现了复杂形状压电陶瓷的高效生产。此外，快速烧结和低能耗消耗促进了绿色制造和碳中和。在陶瓷上创建微图案的演示展示了在微尺度上实施USS过程的潜力。USS过程的概念适用于包括结构和功能陶瓷在内的广泛陶瓷材料，因为热诱导粘度存在于各种陶瓷粉末生坯中。尽管存在这些有希望的潜力，但仍有挑战。1）USS方法中的热传递模式是接触和辐射加热模式，当夹持的陶瓷尺寸接近碳纤维时，热量的不均匀耗散不能被忽视。此外，加热器的尺寸扩大和制造过程的扩大受到热传递限制和能效的限制。2）USS过程的可应用几何形状很难满足各种场景中复杂形状陶瓷的需求。应该将更智能的变形驱动系统集成到USS过程中，以提供三维和精确的变形。3）另一个挑战是探索复杂形状下制造的压电陶瓷的独特变形模型。例如，使用螺旋形状的压电超声换能器生成螺旋分布的超声场。复杂形状压电陶瓷的独特应用场景需要合理设计配置、电极布局和驱动模式。总体而言，USS方法有望促进新的3D陶瓷结构和电子设备的发展。文献：
Shan, Y., Li, X., Zhao, W. et al. Programmable and rapid fabrication of complex-shape ceramics. Nat Commun 15, 9973 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54393-w推荐阅读：
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