Nature前沿动态 | 香港科技大学团队突破陶瓷成型技术瓶颈

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技术突破

全新成型技术

高效与节能

• 成型时间缩短至几分钟，耗能仅1.06kJ/mm³。
• 无需高聚合物含量粘合剂，避免传统烧结工艺中性能削弱的问题。

多样化形状

实验细节





核心原理

• 热场与机械协同：陶瓷生坯在高温下展现粘性，颗粒间通过扩散和晶粒生长致密化，最终形成强韧结构。

• 焦耳加热碳纤维：快速升温（至1400K），并作为机械夹持与载荷传递的多功能平台。

  
  

实验结果

• 成功制造复杂几何陶瓷，如钛酸钡（BT）压电陶瓷；

• 表面微图案复制精度高，为微纳陶瓷器件的制造提供可能性。





图文解析


图1：USS过程的工作机理

该图展示了超快速成型与烧结技术的完整流程：

• 图1a：陶瓷生坯在初始状态下的形状。
• 图1b：陶瓷生坯在焦耳加热产生的高温热场中开始变形，形状逐渐趋于复杂。
• 图1c：最终烧结形成致密且结构稳定的复杂形状陶瓷。
  
  

  

  
  

  
  

其中，图中黄色区域代表陶瓷生坯的高温粘性变化范围，这对变形的实现至关重要。

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图2：实验装置与温度场分布

该图解释了USS过程的硬件配置：

• 图2a：碳纤维加热器及其作为机械载体的双重功能。
• 图2b：通过碳纤维焦耳加热生成的快速温度升高曲线，展示设备的高效性。
• 图2c：成型后的陶瓷样品，包括扭曲和弯曲的几何形状。
  

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图3：USS过程的形变特性

图3展示了不同输入参数对陶瓷形变的影响：

• 图3a：碳纤维载体与陶瓷样品之间的夹持和扭曲示意图。
• 图3b：不同尺寸和形状陶瓷样品的加工结果。
• 图3e：烧结温度与扭曲速度的关系，验证了USS技术的高效率。
  

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图4：表面微结构复制能力

图4通过压印实验展示USS技术的微观加工潜力：

• 图4a：氧化锆压印头与陶瓷生坯接触的过程；
• 图4c：压印后表面的深度分布扫描图，与模具图案高度一致，表明该技术的高精度。
  






应用前景

USS技术在多个领域展现了广泛潜力：
• 功能陶瓷：用于压电泵、传感器等高性能器件；
• 结构陶瓷：应用于陶瓷装甲、耐高温构件；
• 微纳加工：助力电子与医疗设备的表面精密加工。


作为焦耳高温加热设备的领先企业，深圳中科精研致力于为陶瓷制造提供高效、精准的热场解决方案。中科精研的设备不仅完美匹配USS技术需求，还具备高温控制、能耗优化等先进特性，可广泛应用于科研和工业生产，助力陶瓷行业突破瓶颈。
中科精研将继续通过技术创新，为先进材料的加工提供全面支持，与行业共同推进未来陶瓷加工的新篇章。



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