科大工学院研发新型工艺技术 有效简化多孔陶瓷材料制作过程
香港科技大学（科大）工学院的团队研发出一种新型工艺技术，可克服传统积层制造技术（即3D打印技术）的局限，令制造具有复杂三维构型的多孔陶瓷材料更简易快捷，有望革新多种陶瓷材料的设计与加工技术，并广泛应用于能源丶电子和生物医学等多个领域的产品上，例如机械人丶太阳能电池丶传感器丶电池电极和杀菌设备等。
多孔陶瓷是一种应用广泛的陶瓷材料，性能稳定丶具耐冲蚀性丶使用寿命长。为研究有效制造这种物料的方法，科大机械及航空航天工程学系副教授杨徵保带领团队采用「表面张力辅助两步法」（STATS）设计了一种加工策略，仅需两个步骤，包括利用积层制造技术制备有机骨架，以建立基本构型，然后再把所需成分的前驱体溶液注入该骨架中，便可制造出多孔陶瓷。
这种方法最大的挑战在于如何有效控制液体的几何形状。为了达致预期效果，团队借助了一种在大自然四处可找到的现象——表面张力。由于表面张力可将流体聚集并固定在骨架中，研究人员遂利用这一特性，把前驱体溶液收集于多孔骨架内，最终成功控制液体的几何形状，并制造出高精度的多孔陶瓷。
针对由单元格和单元列构成的骨架，研究团队进一步从理论和实验两方面探讨了它们的几何参数，以指导不同排列组合的三维流体界面创建。经过烘乾处理和高温烧结后，团队制备出各种复杂构型的多孔陶瓷。这种工艺将成分匹配从结构成型分离出来，通过可编程制造，能够生成不同单元尺寸丶几何形状丶相对密度丶三维结构和组成成分的多孔陶瓷。该STATS方法不仅能够制备刚玉（Al2O3）等结构陶瓷，还可用于制备二氧化钛（TiO2）丶铁酸铋（BiFeO3）丶钛酸钡（BaTiO3）等各种功能陶瓷产品。
为了验证新工艺的优越性，团队选择了多孔压电陶瓷作为研究对象，测试它的压电性能。结果显示，由于原始浆料中的有机成分显着减少，这种STATS制造工艺能有效减少陶瓷中的微孔，同时提高局部致密性。对于整体呈多孔而局部致密的压电陶瓷，其优势尤为显着，即使在整体孔隙率非常高（> 90%）的情况下，仍能达到相对较高的压电常数d33（~ 200 pC N-1）。
杨教授透露，这项研究的灵感来自硅藻，即一种常见于沉积物或附着在水中固体物质上的藻类，亦是许多动物的直接或间接食物。单细胞硅藻拥有独特的硅酸盐外壳。它们的外壳以高度精确的构造见称，在基因编程所驱动的生物矿化作用下，它们具有各式各样的形态丶结构丶几何构造丶孔隙分布和组装方式。
杨教授表示：「这种新工艺克服了传统制造方法的局限，促进了可编程且在几何学上构型复杂的陶瓷制作，能制备各类复杂构型的结构陶瓷和功能陶瓷，具有广泛的应用潜力，例如适用于过滤器丶传感器丶驱动器丶机械人丶电池电极丶太阳能电池和杀菌设备等。此外，团队创新地利用流体界面工程来进行固体材料加工，为界面工程与智能制造的结合开拓了崭新的研究方向，有望促进先进结构设计和智能材料的协同发展。」
这项研究最近在全球顶尖的综合学术期刊《自然通讯》发表，题为「A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics」。论文的共同第一作者包括洪颖博士丶刘世源博士及杨晓丹。洪博士与刘博士曾担任科大的博士后研究员，而杨晓丹则是杨徵保教授指导的博士生。
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（原文于2024年9月10日在EurekAlert刊登。）
