电子陶瓷增材制造综述

频道：3D打印百科日期：2026-04-13 浏览：16

来源：YiZ功能增材制造医工融合实验室

电子科技大学智能微纳电路与微系统集成团队张晓升教授及课题组张翼教授、新加坡南洋理工大学Yeong Wai Yee教授，以及团队成员和合作者在《Progress in Materials Science》期刊上发表题为“Materials and Underlying Principles in Vat Photopolymerization-Based Additive Manufacturing of Electronic Ceramics”的综述文章，从电子陶瓷本征材料学与VPP光固化材料制备及其成形烧结理论两个方面，系统性阐述了电子陶瓷VPP制造领域的相关工作（图1），讨论了现有工作的研究进展与局限性，并提出了未来研究的发展方向。

图1 电子陶瓷的VPP制造工艺

电子陶瓷是一类具有特定电学功能的无机非金属材料，广泛应用于现代电子器件中，承担着核心功能元件的角色。根据其电学性质，电子陶瓷通常可分为介电陶瓷、铁电陶瓷、半导体（热电与光电）等类别。它们在电容器、滤波器、传感器、换能器、电阻器、热敏器件以及能源采集等领域中发挥着关键作用。电子陶瓷通过其独特的介电常数、电阻率、电导率、压电效应或电致伸缩效应等物理特性，实现对电信号的调节、转换与响应，构成了电子设备中不可或缺的基础材料。随着电子设备趋于高精度、高集成度、小型化的发展趋势，对电子陶瓷在结构复杂性、功能多样性和制造精度方面提出了更高要求，推动着电子陶瓷材料与先进制造技术的深度融合。传统的电子陶瓷成型方式通常依赖昂贵复杂的模具与切削刀具，且难以实现三维复杂结构的快速迭代设计与制造。因此，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术被认为是应对这些挑战的有效手段。增材制造不依赖模具，可通过逐层堆积材料构建复杂的三维结构，不仅简化了制造流程，还提升了结构设计的自由度，尤其适合制备复杂异形、小型精密的电子陶瓷元器件，为新一代高性能电子器件提供了关键的制造解决方案。在众多AM方法中，立体光固化（Vat Photopolymerization, VPP）技术因其高空间分辨率和良好的成形精度，在构建高复杂度电子陶瓷结构方面展现出巨大潜力。VPP及其衍生技术（如多材料VPP制造）的快速发展与高精度电子器件小型化与集成化的趋势高度契合，成为实现电子陶瓷高性能器件制造的有力支撑。

该综述首先从基本物理机制出发（图2），系统论述了铁电陶瓷、微波电介质陶瓷、热电材料和光电材料等典型电介质、半导体电子材料的功能性起源，概述了极化行为与载流子输运如何通过响应外加电场、热场或光场而影响材料的宏观性能表现。同时分析了制备工艺如何通过调控组分、结构和缺陷态等材料参数，间接影响极化与载流子运动行为，从而调控电子陶瓷的性能输出。在此基础上，综述系统回顾了近年来AM技术在电子陶瓷制造领域的研究进展，重点对比分析了多种AM工艺在制造精度、形貌复杂度与工艺适配性等方面的特点，突出强调了VPP技术在高精度、小型化电子陶瓷制造中的优势。随后，文章从材料科学视角出发，深入剖析了电子陶瓷VPP制造过程中涉及的三大核心物理过程：浓稠介质光传播机制、悬浮体流体力学与脱脂/烧结微观演变理论，梳理了电子陶瓷VPP制造所需的基础理论框架。

图2 电介质极化基本原理（a）偶极子与极化理论模型；（b）外电场诱导钙钛矿型晶胞内部离子偏移形成内部极化

在分析原理基础上，进一步描述电子陶瓷VPP制造的最新研究进展，并与传统陶瓷制备工艺（图3-4）成形特点进行对比，讨论了两者在微观结构、功能输出/响应等方面的差异性来源，以及VPP工艺在电子陶瓷制造中可行的材料学优化方向。此外，本文还介绍了VPP制造技术在硬件系统方面的关键创新，包括新型均质化系统、红外光源成形平台与多材料打印模块的发展，并展望了未来VPP在集成上述新型改进/优化概念方面的融合潜力及其可能带来的制造范式变革。最后，对电子陶瓷VPP制造的发展前景进行了深入展望，分析了当前在多材料打印、结构精度控制、复杂体系适配等方面的技术瓶颈及潜在解决路径，并讨论了电子陶瓷VPP技术在生物电子与医用器件等前沿交叉领域的应用潜力，提出了电子陶瓷材料在VPP框架下可能实现的创新方向。