一石二鸟！香港科技大学杨征保团队提出陶瓷“同步成型与烧结”新范式

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【前言】

先进陶瓷（尤其是高性能压电陶瓷）在微系统（MEMS）、高频超声、航空航天等前沿领域扮演着不可或缺的角色。然而，要制造出兼具复杂几何形状（如非球面、多层异质结构）和高机密度、高性能的陶瓷构件，一直是一个巨大的挑战。

传统的陶瓷制备流程通常包括粉体合成、成型（通常需要添加大量有机粘结剂）、漫长的脱脂、以及高温烧结。这种“成型与烧结脱节”的范式存在三大痛点：

1. 脱脂缺陷： 有机粘结剂的排出往往导致显著的体积收缩，从而引起翘曲、裂纹和结构非均匀。

2. 形状精度差： 自由烧结过程中难以精确控制复杂形状的尺寸收缩，难以制造亚毫米级的复杂结构。

3. 多层集成难： 不同陶瓷材料的烧结收缩率差异使得异质多层结构的同步共烧极易导致分层。

鉴于此，香港科技大学（HKUST）机械及航空航天工程系杨征保（Zhengbao Yang）教授团队另辟蹊径，提出了一种名为“Syntera”的原位加工新范式。该技术巧妙地利用陶瓷材料在高温下的粘塑性流变特征，实现了陶瓷粉体在同一步骤内的压制成型与致密化烧结（SSS），为高性能复杂陶瓷器件的高效精准制造提供了全新的通用解决方案。相关研究成果以“Syntera: Programmable multipoint in-situ forming for complex electronic ceramics”为题发表在材料学期刊Materials Today上。

【核心亮点】

1. 方法创新： 提出了一种基于粘塑性流动的陶瓷“同步成型与烧结”（Syntera）技术，彻底摒弃了传统工艺中复杂的脱脂和分步烧结过程。

2. 解决痛点： 实现了无粘结剂（binder-less）加工，根本上解决了传统陶瓷制造中由于有机物排驱导致的致密度低、收缩大和易开裂等难题。

3. 应用拓展： 该技术成功应用于制造具有挑战性的高性能曲面压电元件、复杂三维结构以及多材料集成器件，且保持极高的形状精度和优异的机电性能。

【图文解析】

团队首先通过对比，清晰地展示了Syntera技术与传统工艺的区别。传统工艺需要经历耗时的脱脂和分步烧结。而Syntera（图1B）通过使用特定的高温加热与压制系统，将这两个步骤原位合并。其核心机理在于，在高温下，粉体在承受压力的同时发生粘塑性流动，迅速填充模具空隙并致密化。这种方法无需使用任何有机粘结剂，大大缩短了加工周期，并从源头上消除了脱脂引起的缺陷。

图1. Syntera技术原理：成型与烧结同一步骤完成

为了揭示实现同步成型与烧结的微观机理，研究团队结合高温压缩实验和TEM表征，深入分析了BTO粉体在高温下的粘塑性变形特征。结果表明，通过精准控制温度场和应力场，可以有效激发晶界滑移和扩散，促使陶瓷粉体在达到极高致密度的同时，发生顺应模具形状的塑性流变。

图2. 粘塑性流动机理研究

Syntera技术的最大优势在于其对复杂形状的卓越塑造能力。团队成功利用该技术制备出了包括可展开曲面以及不可展开曲面结构在内的多种具有挑战性的陶瓷构件。其几何形状精度极高，且表面粗糙度低这些构件内部具有极高的致密度，且晶粒分布均匀，未见宏观孔隙和裂纹。

图3. Syntera系统的成形能力

图4通过Syntera制造具有可展开和不可展开表面的几何形状

除了出色的塑形能力，Syntera陶瓷还表现出卓越的机电性能。团队系统表征了利用新工艺制备的压电陶瓷（如d₃₃=343 pC/N）性能。由于消除了传统脱脂工艺带来的缺陷，其压电常数和机械品质因数不仅未受塑形影响，反而相比于传统干压法制备的平板样品表现更好。最后，研究团队还实现了其它结构电子陶瓷的制造，制造出了具有复杂几何形状的多材料功能器件。有限元模实验验证了该器件在能量采集中的应用潜力，证明了其优异的结构完整性和功能集成度。

图5 扩展应用

【总结与展望】

本研究提出的基于粘塑性流动的陶瓷“同步成型与烧结”技术，改变了“先成型后烧结”的传统陶瓷制造范式。Syntera技术不仅成功实现了复杂高性能陶瓷构件的高精度、无粘结剂加工，更突破了多材料功能集成的技术瓶颈。未来，该团队将进一步探索该技术高性能医疗成像、以及复杂深海探测器件中的集成应用。

课题组网站：https://yanglab.hkust.edu.hk/

香港科技大学杨征保教授课题组Smart Transducers and Vibration Laboratory (STVL)，研究方向主要包括：振动学、压电材料、能量采集、柔性电子、无线传感、超声、MEMS等，课题组长期招收博士、博后和访问学者，欢迎感兴趣的同学联系。

【论文信息】

Riran Liang, Yi Zheng, Qiqi Pan, Xuemu Li, Xiaodan Yang, Yuanyi Wang, Xiaodong Yan, Zhaozheng Wang, Zhengbao Yang. Syntera: Programmable multipoint in-situ forming for complex electronic ceramics, Materials Today, 95, 103292, 2026

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103292.