今年6月，自然通訊期刊上發(fā)表了來自香港科技大學(xué)工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)研究項(xiàng)目取得的成果，研究人員開發(fā)出一種創(chuàng)新的蜂窩陶瓷的制備方法，結(jié)合3D打印突破了傳統(tǒng)制備的局限，顯著簡化并加速了幾何形狀復(fù)雜的多孔陶瓷的生產(chǎn)。

論文地址：DOI：10.1038/s41467-024-49345-3

近年來，直接墨水寫入（DIW）、立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等3D打印技術(shù)快速發(fā)展，相比傳統(tǒng)成型和機(jī)械加工的局限，這些可編程幾何復(fù)雜且精確的3D打印提供了更多可能。但是，相比3D打印聚合物材料，陶瓷材料存在原料制備過程復(fù)雜、成分負(fù)載有限、打印精度和速度降低、加工成本增加等困難。

表面張力輔助兩步法蜂窩陶瓷制備示意圖

研究團(tuán)隊(duì)受硅藻殼生物礦化過程的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種兩步處理策略（STATS法）來制造具有基于細(xì)胞的編程3D架構(gòu)的多孔陶瓷，包括制備基于細(xì)胞的有機(jī)晶格，并輔以增材制造方法來構(gòu)建基本結(jié)構(gòu)和將具有所需成分的前體溶液填充到構(gòu)建的晶格中。該工藝路線的關(guān)鍵在于如何捕獲前體溶液并控制液體幾何形狀，科研團(tuán)隊(duì)注意并引入了表面張力效應(yīng)——具體來說，與硅藻細(xì)胞類似的基于細(xì)胞的微結(jié)構(gòu)晶格首先是通過增材制造方法實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)而，制備好的前體溶液通過表面張力被捕獲在晶格中，這模擬了硅藻細(xì)胞中硅酸通過主動(dòng)吸收過程的聚集。經(jīng)過干燥和燒結(jié)，對(duì)應(yīng)于硅藻殼形成過程中的硅化和沉淀過程，最終獲得具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和成分的多孔陶瓷。

蜂窩陶瓷的制造與表征

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步從理論上和實(shí)驗(yàn)上研究了由晶胞和晶柱組裝而成的架構(gòu)晶格的幾何參數(shù)，以指導(dǎo)在排列配置中創(chuàng)建3D流體界面。經(jīng)過干燥和高溫?zé)Y(jié)后，得到建筑多孔陶瓷。使用新的STATS法，將成分合成與結(jié)構(gòu)構(gòu)建分開，從而能夠可編程制造具有各種單元尺寸、幾何形狀、密度、元結(jié)構(gòu)和組成元素的蜂窩陶瓷。該方法具有高度的可編程性，既適用于結(jié)構(gòu)陶瓷（如Al₂O₃），也適用于功能陶瓷（如TiO₂、BiFeO₃、BaTiO₃）。研究人員還研究了蜂窩壓電陶瓷的壓電性能。以PZT進(jìn)行驗(yàn)證，他們發(fā)現(xiàn)，由于原料中的有機(jī)成分顯著減少，所提出的方法可以減少微孔并提高燒結(jié)多孔陶瓷的局部致密性。該工藝有利于制造全局多孔和局部致密的蜂窩壓電陶瓷，即使在總體孔隙率非常高（>90%）的情況下，也能實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的壓電常數(shù)。

論文通訊作者表示，“這種新穎的方法可以幫助加工眾多結(jié)構(gòu)和功能性蜂窩陶瓷，為涉及過濾器、傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器人、電池電極、此外，固體制造的工程流體界面理念也為界面加工與創(chuàng)新制造的結(jié)合提供了新的解決方案，啟發(fā)了先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能材料的協(xié)同發(fā)展。”

編譯整理 YUXI