研究人员开发出创新方法简化蜂窝陶瓷的制造过程

由香港科技大学工程学院牵头的一项研究开发了一种创新方法，克服了传统增材制造(3D 打印)的局限性，大大简化和加速了几何复杂蜂窝陶瓷的生产。

这种方法有可能彻底改变多种陶瓷材料的设计和加工，为能源、电子和生物医学领域的新应用开辟新的可能性，包括机器人、太阳能电池、传感器、电池电极和杀菌装置。

该项研究题为《受生物启发的表面张力驱动的程序化蜂窝陶瓷制造途径》，发表在《自然通讯》杂志上。

蜂窝陶瓷是一种应用广泛的陶瓷材料，具有性能稳定、耐腐蚀、使用寿命长等特点。香港科技大学机械及航空航天工程系副教授杨正宝领导的研究团队设计了一种表面张力辅助两步 (STATS) 加工策略，用于制造具有可编程的 3D 蜂窝结构的蜂窝陶瓷。

该方法涉及两个关键步骤：(1)借助增材制造方法制备基于细胞的有机晶格，以构建基本配置;(2)将具有所需成分的前体溶液填充到结构晶格中。

一大挑战是控制液体的几何形状。为了解决这个问题，该团队利用表面张力这一自然现象，将前体溶液捕获在结构化的蜂窝状晶格中。通过利用表面张力将流体捕获并固定在准备好的晶格中的能力，他们成功控制了液体的几何形状，并成功制造出高精度的蜂窝陶瓷。

研究团队进一步从理论和实验两个方面研究了由单元和单元柱组装而成的结构晶格的几何参数，以指导在排列配置中创建三维流体界面。

经过干燥和高温烧结，得到结构化蜂窝陶瓷。使用新的 STATS 方法，将成分合成与结构构建分开，从而可以可编程地制造具有各种单元尺寸、几何形状、密度、元结构和组成元素的蜂窝陶瓷。该方法具有高度的可编程性，既适用于结构陶瓷(例如 Al 2 O 3)，也适用于功能陶瓷(例如 TiO 2、BiFeO 3、BaTiO 3)。

为了验证该方法的优越性，研究人员还研究了蜂窝状压电陶瓷的压电性能。他们发现，由于原料中的有机成分显著减少，所提出的方法可以减少烧结蜂窝陶瓷中的微孔并提高局部致密性。该工艺有利于制造整体多孔和局部致密的蜂窝状压电陶瓷，即使在非常高的整体孔隙率(> 90%)下也能实现相对较高的压电常数d33(~200 pC N -1 )。

杨教授透露，该方法的灵感来自硅藻。硅藻是一种常见于沉积物中或附着在水中固体物质上的藻类，可直接或间接地作为许多动物的食物。单细胞硅藻的显著特征是其硅藻壳或细胞外壁。得益于基因编程的生物矿化过程，硅藻壳具有高度精确的结构，具有多种形态、形状、几何形状、孔隙分布和组装。

“我们的策略克服了传统制造方法的局限性，并能够创建可编程的、几何形状复杂的陶瓷结构。这种新方法可以帮助处理大量结构和功能性蜂窝陶瓷，有助于过滤器、传感器、执行器、机器人、电池电极、太阳能电池和杀菌装置等应用，”杨教授解释说。

此外，固体制造的流体界面工程理念也为界面处理与创新制造的结合提供了新的解决方案，启发了先进设计与智能材料的协同发展。”