港科大研發(fā)新型工藝技術(shù)　有效簡(jiǎn)化多孔陶瓷材料制作過程

香港科技大學(xué)（港科大）工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型工藝技術(shù)，可克服傳統(tǒng)積層制造技術(shù)（即3D打印技術(shù)）的局限，令制造具有復(fù)雜三維構(gòu)型的多孔陶瓷材料更簡(jiǎn)易快捷，有望革新多種陶瓷材料的設(shè)計(jì)與加工技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于能源、電子和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品上，例如機(jī)械人、太陽能電池、傳感器、電池電極和殺菌設(shè)備等。

多孔陶瓷是一種應(yīng)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(jī)械及航空航天工程學(xué)系副教授楊征保帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用「表面張力輔助兩步法」（STATS）設(shè)計(jì)了一種加工策略，僅需兩個(gè)步驟，包括利用積層制造技術(shù)制備有機(jī)骨架，以建立基本構(gòu)型，然后再把所需成分的前驅(qū)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(dá)致預(yù)期效果，團(tuán)隊(duì)借助了一種在大自然四處可找到的現(xiàn)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(qū)體溶液收集于多孔骨架內(nèi)，*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(duì)由單元格和單元列構(gòu)成的骨架，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探討了它們的幾何參數(shù)，以指導(dǎo)不同排列組合的三維流體界面創(chuàng)建。經(jīng)過烘干處理和高溫?zé)�結(jié)后，團(tuán)隊(duì)制備出各種復(fù)雜構(gòu)型的多孔陶瓷。這種工藝將成分匹配從結(jié)構(gòu)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(duì)密度、三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品。

為了驗(yàn)證新工藝的優(yōu)越性，團(tuán)隊(duì)選擇了多孔壓電陶瓷作為研究對(duì)象，測(cè)試它的壓電性能。結(jié)果顯示，由于原始漿料中的有機(jī)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(shí)提高局部致密性。對(duì)于整體呈多孔而局部致密的壓電陶瓷，其優(yōu)勢(shì)尤為顯著，即使在整體孔隙率非常高（> 90%）的情況下，仍能達(dá)到相對(duì)較高的壓電常數(shù)d33（~ 200 pC N-1）。

楊教授透露，這項(xiàng)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(zhì)上的藻類，亦是許多動(dòng)物的直接或間接食物。單細(xì)胞硅藻擁有獨(dú)特的硅酸鹽外殼。它們的外殼以高度*的構(gòu)造見稱，在基因編程所驅(qū)動(dòng)的生物礦化作用下，它們具有各式各樣的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、幾何構(gòu)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(jìn)了可編程且在幾何學(xué)上構(gòu)型復(fù)雜的陶瓷制作，能制備各類復(fù)雜構(gòu)型的結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，具有廣泛的應(yīng)用潛力，例如適用于過濾器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械人、電池電極、太陽能電池和殺菌設(shè)備等。此外，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地利用流體界面工程來進(jìn)行固體材料加工，為界面工程與智能制造的結(jié)合開拓了嶄新的研究方向，有望促進(jìn)先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能材料的協(xié)同發(fā)展�！�

這項(xiàng)研究*近在全球*的綜合學(xué)術(shù)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(dān)任港科大的博士后研究員，而楊曉丹則是楊征保教授指導(dǎo)的博士生。