香港城市大学，Nature Communications！
文摘
2025-02-02 19:30
青海
陶瓷材料因其优异的机械、热学和化学性能，广泛应用于电子设备、可再生能源技术以及极端环境中的部件。然而，陶瓷材料的成型过程一直是其广泛应用的主要障碍之一。与传统的金属和聚合物材料相比，陶瓷材料具有较高的硬度和脆性，这使得其成型工艺复杂且耗时，尤其是在复杂形状的制备上。因此，如何在保证陶瓷性能的前提下，快速、可靠地成型陶瓷材料，一直是科学研究中的挑战之一。传统的陶瓷成型方法，如滑模铸造、注塑成型和3D打印，虽然能够制造复杂的形状，但这些方法通常存在长时间的制造周期、较低的生产效率以及材料性能受损等问题。例如，传统的注塑成型和3D打印过程需要在高温下进行长时间的聚合物去除，最终烧结后的陶瓷可能会出现性能下降。因此，亟需一种快速、高效且不损害陶瓷性能的新型成型技术。鉴于此，来自香港城市大学楊徵保团队在陶瓷成型领域取得了新进展。该团队设计并实现了一种超快速陶瓷成型和烧结（USS）技术，成功突破了传统陶瓷成型的瓶颈。通过利用热机械场力，该技术能够在数分钟内将陶瓷粉末紧凑体变形并烧结成复杂形状。具体而言，该方法通过实施精确的热场来激活陶瓷粉末的最佳变形能力，并施加足够的机械载荷以引导变形。为此，研究团队采用了可编程碳毡焦耳加热器，这不仅能提供必要的热量，还能作为机械载体有效地传递外加载荷。该研究成功地利用USS方法制造了具有扭曲形状、弓形结构以及微图案的钛酸钡（BT）压电陶瓷。通过该方法，陶瓷材料在成型过程中展现出显著的优势。首先，USS方法具有较高的能源效率，每立方毫米仅需约1.06 kJ的能量，且加工时间仅为数分钟，极大提高了生产效率。同时，该方法避免了传统陶瓷成型中的高温长时间处理，能够在不牺牲陶瓷性能的情况下完成复杂形状的制造。该研究成果为陶瓷成型提供了一种新的高效解决方案，打破了陶瓷材料形状加工的传统局限，为陶瓷在更广泛应用领域中的推广奠定了基础。
