独立行政机构之一的米乐m6官方网站 (AIST) 先进制造研究所 (AMRI) 与东陶株式会社（后来称为 TOTO）合作，成功生产出厚度大于 1 μm（1 μm = 1/1,000,000 m）的陶瓷薄膜，其电气和机械性能与烧结体陶瓷相同。该工艺包括通过气溶胶沉积法（以下称为AD法）将亚微米粒度的α-氧化铝细颗粒喷射到基材上，并在室温下使其固化而不烧结。 AMRI-AIST证明，陶瓷膜不是由于轰击引起的温度升高而导致喷射的α-氧化铝颗粒的表面熔化而形成的，而是主要是通过破裂引起的细颗粒的改性以及由于新表面形成而引起的表面活化而形成的。该工艺使得制造需要表面硬度、耐腐蚀性和其他表面功能的陶瓷产品成为可能，而无需像以前那样在高于 1000 ℃ 的温度下烧结，从而大大节省能源。 TOTO成功地在面积达200平方毫米的大基板上提供均匀的陶瓷涂层（图1），旨在应用于液晶面板、半导体设备部件、电子电路板等。

使用AD方法在室温下使陶瓷颗粒凝固而形成陶瓷膜被称为冷冲击硬化，并已在AMRC-AIST应用于钛酸锆酸铅（PZT）等压电陶瓷的制造。

在与TOTO的联合研究中，仔细分析了晶粒尺寸分布对机械性能的影响，建立了基于α-氧化铝细颗粒的冷固化来制造具有与烧结体相当的机械性能（如维氏硬度、杨氏模量、介电强度、体积电阻率和介电常数）的陶瓷膜的工艺。所得薄膜具有足够的密度和纳米级晶体微观结构（图1）。

图。 1 α-氧化铝（Al2O3)通过气溶胶沉积在室温下在金属基材上形成及其晶体微观结构。 右上角的环状图案代表电子束衍射图案，表明周期性晶体结构，否认陶瓷膜的非晶性质。

陶瓷材料的制造过程通常需要在高于1000℃的温度下烧结，这使得其难以与低熔点金属复合或集成。玻璃或塑料，对陶瓷电子元件的升级和结构件的轻量化构成严重障碍。到目前为止，已经开展了大量的研究工作来降低烧结温度，以减少能耗并通过与金属或玻璃材料的集成实现创新的功能部件。

为了将烧结温度降低至1000℃以下，尝试在陶瓷原料中添加烧结助剂，并将原料粉末粉碎至纳米尺寸。但结果并不理想：烧结温度仅降至 900 ℃。然而，陶瓷的电气、机械和化学性能远不如在较高密度温度下烧结的陶瓷：机械性能更低、更脆弱、绝缘性较差且更容易腐蚀。

在这项研究中，AMRC-AIST利用高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）对薄膜精细结构进行了分析，对细颗粒之间的轰击进行了计算机模拟，表征了制膜效率，并确定了颗粒的抗压强度，并证明了喷射到基材上的亚微米级原材料α-氧化铝细颗粒被破碎并改性为10~30 nm尺寸的颗粒（1 nm） = 1/1,000,000,000 米 = 10^-9m) 形成致密的纳米晶陶瓷膜，不会因温度升高而导致表面熔化（图1和图2），并且断裂时新产生的表面引起的效应激活在结合颗粒方面发挥了核心作用。细晶颗粒破裂的实验证据如图2所示。在该实验中，将压电陶瓷材料、含有铅等重金属的PZT以及由铝和氧等轻元素组成的γ-氧化铝颗粒的混合粉末喷涂到基板上，在室温下形成PZT-氧化铝复合膜。通过在 TEM 下观察微观结构，可以识别两种材料的亮度差异分布：PZT 较暗，氧化铝较亮。在图2左侧所示的横截面TEM图中，可以看到平行于基底（即垂直于轰击）的PZT深色层状区域，对应于材料颗粒的尺寸。在改性颗粒的区域内，观察到晶粒尺寸为 20 nm 左右的更精细的晶体结构，如图 1 的 TEM 照片所示。基于这些事实，可以说 PZT 颗粒在与基底和薄膜表面碰撞时破裂和改性，形成更精细的晶体结构，如图 2 右侧的模型所示。所得陶瓷膜由纳米尺寸的晶体结构组成，在室温下非晶相的数量最少。结果表明，基于AD工艺的冷冲击凝固并不局限于特定的陶瓷材料，而是属于普遍性现象，有望适用于非氧化物陶瓷材料，例如用于陶瓷电路板的氮化铝和用于超导陶瓷的二硼化镁。

根据上述模型，对颗粒聚集的抑制条件、纯度、压缩断裂强度和成膜条件进行了仔细研究后，AMRC-AIST 与 TOTO 合作，成功地固化了纯度为 999% 的 _-氧化铝细颗粒，该细颗粒必须在高于 1300 ℃ 的温度下在室温下进行烧结，而无需使用烧结助剂或有机粘合剂。所得陶瓷膜的性能包括：维氏硬度1500~2200 Hv、杨氏模量300~350 GPa、介电强度150~300 kV/mm或更大、体积电阻率15 x 10¹⁵Ω·cm，介电常数(ε)98。这是世界上首次通过冷工艺制造陶瓷厚膜，其电气和机械性能可与块状烧结陶瓷相媲美。后者陶瓷的性能包括：维氏硬度1400~2000 Hv、杨氏模量350~380 GPa、介电强度10 kV/mm或更大、体积电阻率15 x 10¹⁵Ω·cm，介电常数(ε)99~10。新形成的陶瓷厚膜孔隙极少，通过简单的抛光即可获得纳米级的光滑度。 TOTO正在努力开发等离子防腐陶瓷膜，并成功制备出面积达200平方毫米的均匀膜（图1）。

目前的研发工作建立了划时代的陶瓷工艺，利用由亚微米颗粒组成的低成本α-氧化铝粉末制造陶瓷薄膜，无需在高于1000℃的温度下烧结。该工艺生产的陶瓷薄膜具有与传统方式烧结的块状陶瓷相同的硬度和电性能，且具有致密、光滑、无纳米级孔隙的特点。

图。 2气溶胶沉积（AD）法形成的混合PZT/氧化铝陶瓷薄膜的微观结构和基于颗粒破裂的致密成膜模型。