原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Mao J, Shimai S, Ji H, et al. Ultrasonic-vibration-assisted re-flow machining of ceramic gels. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221091
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221091
ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/391723098_Ultrasonic-vibration-assisted_re-flow_machining_of_ceramic_gels
1、导读
本文提出了一种新颖的超声振动辅助陶瓷凝胶（湿坯）加工方法，旨在克服传统陶瓷加工工艺的局限性。传统加工方法由于素坯强度低以及预烧结体和烧结体本身的脆性，常导致崩边、开裂等缺陷；同时，这些方法难以实现具有复杂形状、非贯通槽及盲孔等结构的陶瓷件加工。所提出的方法利用陶瓷凝胶在剪切应力作用下的“重流动”特性，通过施加垂直方向的高频超声振动，实现对目标区域的选择性去除。该技术能够实现表面修饰、开槽及钻孔等微结构的高精度、无损加工，特征尺寸可达微米级。实验结果进一步验证了该方法在陶瓷构件连接中的有效性。该方法为先进陶瓷制造提供了一种有前景的传统加工技术替代方案。
图1 文章图片摘要
2、研究背景
先进陶瓷材料具有优异的强度、耐磨性和热稳定等特性，已广泛应用于航空航天等高科技领域。然而，高强度与高硬度特性导致其加工过程中易产生表面损伤、尺寸偏差及刀具损耗等问题。利用陶瓷素坯较低的硬度特性，素坯加工被广泛采用。但素坯机械强度低，在加工载荷作用下极易产生开裂、崩边及分层等损伤。而且，传统机械加工方法在非贯通槽孔等复杂特征加工方面也存在明显局限性。
3、文章亮点
本研究提出一种新型“超声振动辅助再流动加工”（URM）技术，旨在利用陶瓷凝胶在剪切应力下可逆流动的特性，实现对湿态陶瓷坯体的非破坏性结构加工、表面修饰与结构重塑，有希望为陶瓷加工探索一条新路径。
4、研究结果及结论
（1） 通过系统研究陶瓷凝胶在剪切应力下的再流动特性，提出了一种基于自固化凝胶成型技术的新型超声振动辅助加工方法。该方法通过在竖直方向施加超声振动，实现了对凝胶湿坯的选择性去除，可完成打孔、开槽、平面修整等加工任务，显著减少传统机械加工中常见的开裂、边缘缺损等缺陷问题，同时提升了加工效率并降低了制造成本。
（2） 为实现该加工方式的可行性与稳定性，设计并开发了专用的超声辅助加工装置，从设备层面支撑了该方法的实施。
图2 陶瓷凝胶加工的超声波加工系统示意图
（3） 通过构建浆料固含量—凝胶时间—湿坯“硬度”—可加工性之间的关系图，系统揭示了制备参数对湿坯状态和超声加工适应性的影响规律，为该技术在实际应用中的参数选取提供了理论依据与实验指导。
图3 (a)浆料的黏度，(b)储能模量，(c)陶瓷凝胶的最大压痕硬度，及(d)在不同凝胶时间下、固含量为48-56 vol%时湿坯的加工沟槽宽度变化趋势。
图4 基于陶瓷凝胶硬度的可加工性分析图
（4） 实现湿坯打孔、开槽、表面整形等；成功制备出了特定形状的氧化铝陶瓷样品，验证了该方法在提升陶瓷湿坯方面的加工潜力。
图5 使用超声振动辅助再流动加工（URM）技术的多种加工工艺示意图：(a, b)钻孔；(c)凹面制备；(d)开槽；(e)在氧化铝陶瓷表面雕刻的 “SIC CAS” 字样；(f)坯体连接。
5、作者及研究团队简介
王士维，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士生导师，现任中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷中心课题组长，兼任所学术委员会委员。长期从事透明陶瓷和结构陶瓷领域的研究，科研成果在先进陶瓷材料制备、结构调控与应用方面具有重要影响。
毛君妍，中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷中心在读博士生。
中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷中心是国内领先的透明陶瓷研究团队，致力于高性能透明陶瓷材料的研发及其在光学和先进制造等领域的应用。课题组由王士维研究员领导，拥有一支经验丰富的科研团队，积极参与国家重大科研项目，并与多家企业和研究机构建立了合作关系，推动科研成果的转化应用。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
1. Wang J, Zhao J, Mao J, et al. Enhanced plasticity of spontaneous coagulation cast oxide ceramic green bodies. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5): 568-578. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220879
2. WU X, ZHAO J, SHIMAI S, et al. Re-fluidising the aged gel for high-density alumina green body. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(9): 1375-1382. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0615-1
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇；2024年6月发布的影响因子为18.6，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，该刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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