针对陶瓷材料成型技术的难题，香港科技大学机械与航空航天工程系副教授杨徵保科研团队，提出了一种利用热机械场在几分钟内将陶瓷粉末压坯变形并烧结成复杂形状的陶瓷的超快成型方法。该方法依赖于精确的温度场来实现最佳的可变形性，以及足够的机械负荷来引导变形。作者利用可编程的焦耳加热设备同时作为机械载体，有效传递施加在陶瓷粉末压坯上的负载。采用这种超快成型与烧结技术，成功制造了具有扭曲形状、拱形和微结构的钛酸钡（BT）压电陶瓷。该方法既节能（大约1.06kJ/mm³）又高效（耗时在几分钟级别），为陶瓷成型提供了一种有效解决方案，并将陶瓷拓展到了三维几何形状，使其通用性得到增强。
相关成果以“Programmable and rapid fabrication of complex-shape ceramics”为题刊登在国际知名期刊《Nature Communications》上。
1. 提出了一种名为超快速成型和烧结 (USS) 的新型陶瓷成型技术：该技术利用焦耳加热和热力学场，在高温下对陶瓷生坯进行塑形和烧结，实现了快速、高效、低成本地制造复杂形状的陶瓷。
2. 突破了传统陶瓷成型技术的局限性： USS 技术无需使用聚合物粘合剂，且烧结过程耗时短，能耗低，同时保持了陶瓷材料的优异性能。
3. 可制造各种复杂形状的陶瓷：USS 技术可以制造各种复杂形状的陶瓷，包括压电陶瓷、结构陶瓷等，为陶瓷器件的设计和应用提供了更多可能性。
4. 具有高效、节能、多功能性等优点：USS 技术具有高效、节能、多功能性等优点，可广泛应用于陶瓷材料的制造和加工。
5. 具有广阔的应用前景：USS 技术可应用于制造压电泵、陶瓷装甲等器件，推动陶瓷材料在更广泛领域的应用。
图1展示了超快速成型与烧结（USS）过程的工作机理。该过程依托于热机械场工程，能够在保持材料固有属性的同时制造出复杂形状的陶瓷。在这一过程中，首先将陶瓷生坯（图1a）置于一个变化的热场中（图1b），以引导陶瓷样品的弯曲和扭曲；最终，在快速烧结后，得到了致密的复杂形状陶瓷（图1c）。USS的关键在于陶瓷生坯的热诱导粘度和颗粒-孔隙拓扑结构。具体来说，陶瓷生坯在低温时表现出较差的可变形性，而在高温下激活的粘度使得生坯具有可变形性（图1b中的黄色阴影区域）。在成型范围的初期，颗粒通过范德华力和摩擦力软连接，同时这些孔隙为颗粒提供了足够的迁移空间。进一步提高温度（接近或达到烧结温度）会引起接触扩散和晶粒生长，这加强了颗粒/晶粒之间的连接。这些强键限制了颗粒/晶粒之间的相对运动，因此，在宏观表现上，致密的陶瓷即使在高温下也表现出低可变形性。实际上，热诱导粘度已被利用来制造不牺牲性能的曲面陶瓷；然而，尝试在高温下快速主动成型陶瓷的尝试并不成功，因为变形是时间依赖且缓慢的，且唯一的机械驱动力是自重。
图2描述了USS过程的操作和性能。研究中以一种轻质压电陶瓷BT为例，展示了USS过程的实施策略。遵循图1b的原则，通过BT生坯的高温热机械分析确定了合适的成型温度范围（1220-1370 K），利用碳纤维焦耳加热法进行超快速高温材料合成和加热曲线调制。在应用USS过程时，焦耳加热的碳纤维与三个精密移动平台结合使用，都放置在惰性气氛（氩气）中。碳纤维的低热容允许快速形成高温场（图2b），同时还作为机械载体夹持样品并传递力/变形（图2b）。为了激活高可变形性，BT粉末生坯被夹在两块焦耳加热的碳纤维之间，迅速形成一个均匀且稳定的热场（1400 K，图2c中的左侧数字图像），然后通过施加扭转变形来驱动陶瓷样品扭曲（图2c中的右侧数字图像）。成型阶段之后是大约20秒的温度上升和大约10秒的等温烧结（1520 K）。这种主动控制成型过程的方法克服了由重力引起的几何和材料选择限制。
图3通过扭曲BT陶瓷对USS过程进行了表征。图 3a 展示了碳纤维载体和包裹的陶瓷样品的扭曲角度示意图。图 3b 展示了钛酸钡生坯和碳纤维加热器/载体的数码照片，并标注了相关的几何参数。图 3c 展示了 USS 技术的加工路线对最终形状的影响，证明了该技术的鲁棒性。图 3d 展示了不同相对长度、宽度和厚度的样品在不同输入角度下的输出角度，证明了 USS 技术的扭曲程度可以通过几何参数进行调节。图 3e 展示了扭曲速度与加工温度的关系，证明了加工速度可以通过调整加工温度进行优化。
图4展示了USS过程的应用潜力，特别是在微观结构制造方面。研究中以BT陶瓷为例，展示了USS过程在压印微图案方面的应用。使用不同形状的氧化锆头对陶瓷施加压力，以复制图案。在成型温度下，BT陶瓷的粘性体质确保了压印头图案的精确复制。压印后的微图案表面图像显示了USS方法在操控陶瓷材料表面微观结构方面的潜力。图4c展示了压印微图案的深度分布，其平滑的扫描轮廓与主图案相匹配，进一步证明了USS方法在精细加工陶瓷表面结构方面的应用潜力。补充视频（如下）展示了USS过程中压印微图案的实际操作，其中可以观察到压印头与陶瓷生坯接触并压印出精确图案的动态过程，这一过程体现了USS技术在制造具有复杂表面结构的陶瓷组件方面具有显著的应用前景。
文献信息：Yao Shan, Xuemu Li, Wanjun Zhao, Xiaodan Yang, Yuanyi Wang, Zhuomin Zhang, Shiyuan Liu, Xiaote Xu & Zhengbao Yang. Programmable and rapid fabrication of complex-shape ceramics. Nat Commun 15, 9973 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54393-w
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