香港科技大學（港科大）工學院的團隊研發(fā)出一種新型工藝技術，可克服傳統(tǒng)積層制造技術（即3D打印技術）的局限，令制造具有復雜三維構型的多孔陶瓷材料更簡易快捷，有望革新多種陶瓷材料的設計與加工技術，并廣泛應用于能源、電子和生物醫(yī)學等多個領域的產品上，例如機械人、太陽能電池、傳感器、電池電極和殺菌設備等。

多孔陶瓷是一種應用廣泛的陶瓷材料，性能穩(wěn)定、具耐沖蝕性、使用壽命長。為研究有效制造這種物料的方法，港科大機械及航空航天工程學系副教授楊征保帶領團隊采用「表面張力輔助兩步法」（STATS）設計了一種加工策略，僅需兩個步驟，包括利用積層制造技術制備有機骨架，以建立基本構型，然后再把所需成分的前驅體溶液注入該骨架中，便可制造出多孔陶瓷。

這種方法*大的挑戰(zhàn)在于如何有效控制液體的幾何形狀。為了達致預期效果，團隊借助了一種在大自然四處可找到的現象——表面張力。由于表面張力可將流體聚集并固定在骨架中，研究人員遂利用這一特性，把前驅體溶液收集于多孔骨架內，*終成功控制液體的幾何形狀，并制造出高精度的多孔陶瓷。

針對由單元格和單元列構成的骨架，研究團隊進一步從理論和實驗兩方面探討了它們的幾何參數，以指導不同排列組合的三維流體界面創(chuàng)建。經過烘干處理和高溫燒結后，團隊制備出各種復雜構型的多孔陶瓷。這種工藝將成分匹配從結構成型分離出來，通過可編程制造，能夠生成不同單元尺寸、幾何形狀、相對密度、三維結構和組成成分的多孔陶瓷。該STATS方法不僅能夠制備剛玉（Al2O3）等結構陶瓷，還可用于制備二氧化鈦（TiO2）、鐵酸鉍（BiFeO3）、鈦酸鋇（BaTiO3）等各種功能陶瓷產品。

為了驗證新工藝的優(yōu)越性，團隊選擇了多孔壓電陶瓷作為研究對象，測試它的壓電性能。結果顯示，由于原始漿料中的有機成分顯著減少，這種STATS制造工藝能有效減少陶瓷中的微孔，同時提高局部致密性。對于整體呈多孔而局部致密的壓電陶瓷，其優(yōu)勢尤為顯著，即使在整體孔隙率非常高（> 90%）的情況下，仍能達到相對較高的壓電常數d33（~ 200 pC N-1）。

楊教授透露，這項研究的靈感來自硅藻，即一種常見于沉積物或附著在水中固體物質上的藻類，亦是許多動物的直接或間接食物。單細胞硅藻擁有獨特的硅酸鹽外殼。它們的外殼以高度*的構造見稱，在基因編程所驅動的生物礦化作用下，它們具有各式各樣的形態(tài)、結構、幾何構造、孔隙分布和組裝方式。

楊教授表示：「這種新工藝克服了傳統(tǒng)制造方法的局限，促進了可編程且在幾何學上構型復雜的陶瓷制作，能制備各類復雜構型的結構陶瓷和功能陶瓷，具有廣泛的應用潛力，例如適用于過濾器、傳感器、驅動器、機械人、電池電極、太陽能電池和殺菌設備等。此外，團隊創(chuàng)新地利用流體界面工程來進行固體材料加工，為界面工程與智能制造的結合開拓了嶄新的研究方向，有望促進先進結構設計和智能材料的協(xié)同發(fā)展。」

這項研究*近在全球*的綜合學術期刊《自然通訊》發(fā)表，題為「A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics」。論文的共同*作者包括洪穎博士、劉世源博士及楊曉丹。洪博士與劉博士曾擔任港科大的博士后研究員，而楊曉丹則是楊征保教授指導的博士生。

相關新聞