Programmable and rapid fabrication of complex-shape ceramics

复杂形状陶瓷的可编程快速制造

Yao Shan^1,2,5, Xuemu Li^1,5, Wanjun Zhao^3,5, Xiaodan Yang^1,4, Yuanyi Wang¹, Zhuomin Zhang^1,4, Shiyuan Liu¹, Xiaote Xu¹, Zhengbao Yang¹

DOI: 10.1038/s41467-024-54393-w | Nature Communications | 2024

PDF原文

¹香港科技大学机械与航空航天工程系 | ²普渡大学化学系 | ³北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

⁴香港城市大学机械工程系 | ⁵这些作者对工作贡献相同

论文亮点

            开发了一种超快速陶瓷成型与烧结(USS)方法，利用热机械场将陶瓷粉末压坯变形并烧结成复杂形状陶瓷
该方法具有高能效(约1.06 kJ/mm³)和时间效率(几分钟级别)，同时保持了陶瓷的固有性能

研究背景

陶瓷材料在电子设备、可再生能源技术和极端环境组件中发挥着重要作用，但由于其高硬度和脆性，制造过程耗时且具有挑战性
现有的陶瓷成型技术(如注浆成型、注射成型和3D打印)存在脱模程序复杂、材料组成有限、干燥时间长或需要去除聚合物等问题，限制了陶瓷组件的几何形状
迫切需要快速、可靠且成本友好的陶瓷成型方法，以释放陶瓷材料从几何限制中的潜力

研究方法

超快速成型与烧结(USS)方法：

使用可编程碳毡焦耳加热器作为加热元件和机械载体，在惰性气氛(氩气)中工作
通过高温热机械分析确定适当的成型温度范围(1220-1370 K)
将陶瓷生坯夹在两片焦耳加热碳毡之间，快速形成均匀稳定的热场(约1400 K)
应用扭转或弯曲变形来塑造陶瓷形状
成型后进行约20秒的温度升温和约10秒的等温烧结(1520 K)
该方法可以主动控制形状形成过程，克服重力驱动的几何形状和材料选择限制

材料制备：使用钛酸钡(BaTiO₃)和氧化铝(Al₂O₃)纳米粉末，添加4%重量的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，单轴压制成矩形生坯，然后在770 K下脱粘30分钟。

主要结论

USS方法成功制造了扭曲形状和拱形形状的钛酸钡压电陶瓷，具有细小的晶粒尺寸(1.2±0.2μm)和高相对密度(约96%)
制备的陶瓷表现出优异的压电性能(380 pC/N)，优于大多数传统打印和块状BT陶瓷，且具有可比的热稳定性(居里温度约143°C)
USS方法显著缩短了加工时间，与现有的复杂形状陶瓷制造方法相比，显示出将陶瓷成型和烧结推向时间高效过程的潜力

图1: 超快速成型与烧结(USS)过程

图1 | 超快速成型与烧结(USS)过程

内容描述：

图1展示了USS过程的三个关键部分：(a)表现出高脆性和差加工性的生坯；(b)USS过程的工作原理，依赖于机械场和热场的协同作用；(c)USS制造的拱形和扭曲BT陶瓷的照片。

分析结果：

USS过程依赖于陶瓷生坯的热诱导粘度和粒子-孔隙拓扑结构。在低温下，陶瓷生坯表现出差的变形性，而在升高温度下激活的粘度使压坯可变形。多孔状态陶瓷由陶瓷颗粒(黄色圆圈)和气隙(蓝色区域)组成。通过精确控制热场和机械载荷，可以实现复杂形状陶瓷的快速成型和烧结。

图2: USS过程的操作与性能

图2 | USS过程的操作与性能

内容描述：

图2展示了USS平台的组成和性能：(a)USS平台示意图，包括三个精密移动驱动器和一個碳毡焦耳加热器；(b)典型USS过程示意图，用于扭曲陶瓷；(c)温度曲线和加工元件以及USS样品的数字图像；(d)扭曲BT陶瓷的照片和SEM图像；(e)加工拱形BT陶瓷的数字图像；(f)压电常数d₃₃的比较；(g)加工时间的比较。

分析结果：

USS过程的高升温速率和短烧结时间导致细小的晶粒尺寸和高相对密度。制备的扭曲BT样品还具有四方相的压电相结构。USS制备的BT陶瓷表现出典型的压电性能，剩余极化约为24μC/cm²，并具有蝶形应变-电场曲线。与现有的复杂形状陶瓷制造方法相比，USS方法显著缩短了加工时间，显示出将陶瓷成型和烧结推向时间高效过程的潜力。

图3: 通过扭曲BT陶瓷表征USS过程

图3 | 通过扭曲BT陶瓷表征USS过程

内容描述：

图3展示了USS过程的稳定性和可调性研究：(a)碳毡载体和包裹陶瓷样品的扭曲角度示意图；(b)BT生坯和碳毡加热器/载体的数字图像；(c)加工稳定性表征；(d)扭曲BT陶瓷形状形成的定量研究；(e)扭曲速率与加工温度的函数关系。

分析结果：

通过定量研究扭曲角度形成机制，探索了USS过程的稳定性和可调性。研究发现加工路线(加热和扭曲)对扭曲BT陶瓷的最终形状几乎没有影响，表明USS过程的稳健性。实验数据显示，对于每个参数组，输出角度随着输入角度(60°, 120°, 和180°)线性增加。相对长度是决定输出与输入角度比率的关键因素，而最终形状对样品的宽度不敏感。厚陶瓷压坯的输出扭曲角度略低于薄样品。

图4: USS过程制造的器件

图4 | USS过程制造的器件

内容描述：

图4展示了USS过程制造的各种器件和应用：(a)通过USS过程在陶瓷上冲压微图案的示意图和数字图像；(b)具有冲压微图案的BT陶瓷表面图像；(c)冲压微图案的深度分布；(d)扭曲压电陶瓷的应用演示；(e)拱形氧化铝陶瓷的照片；(f)制造任意形状陶瓷材料的设计。

分析结果：

USS方法不仅能够形成宏观几何形状，还允许在陶瓷材料上冲压微图案。BT陶瓷的粘性体(在成型温度下)确保了从冲压头复制图案。光滑的扫描轮廓与主图案匹配，显示了该方法在操纵陶瓷材料表面结构方面的潜力。USS制造的复杂形状陶瓷有望促进陶瓷基器件的发展。例如，扭曲形状的压电陶瓷可用于流体系统的泵，而拱形氧化铝陶瓷可用作保护或包装电子设备的装甲。