科大工學院研發新型工藝技術　有效簡化多孔陶瓷材料製作過程

香港科技大學（科大）工學院的團隊研發出一種新型工藝技術，可克服傳統積層製造技術（即3D打印技術）的局限，令製造具有複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，並廣泛應用於能源、電子和生物醫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，性能穩定、具耐沖蝕性、使用壽命長。為研究有效製造這種物料的方法，科大機械及航空航天工程學系副教授楊徵保帶領團隊採用「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，包括利用積層製造技術製備有機骨架，以建立基本構型，然後再把所需成分的前驅體溶液注入該骨架中，便可製造出多孔陶瓷。

這種方法最大的挑戰在於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。由於表面張力可將流體聚集並固定在骨架中，研究人員遂利用這一特性，把前驅體溶液收集於多孔骨架內，最終成功控制液體的幾何形狀，並製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建。經過烘乾處理和高溫燒結後，團隊製備出各種複雜構型的多孔陶瓷。這種工藝將成分匹配從結構成型分離出來，通過可編程製造，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方法不僅能夠製備剛玉（Al₂O₃）等結構陶瓷，還可用於製備二氧化鈦（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，由於原始漿料中的有機成分顯著減少，這種STATS製造工藝能有效減少陶瓷中的微孔，同時提高局部緻密性。對於整體呈多孔而局部緻密的壓電陶瓷，其優勢尤為顯著，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矽藻，即一種常見於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。單細胞矽藻擁有獨特的矽酸鹽外殼。牠們的外殼以高度精確的構造見稱，在基因編程所驅動的生物礦化作用下，牠們具有各式各樣的形態、結構、幾何構造、孔隙分佈和組裝方式。

楊教授表示：「這種新工藝克服了傳統製造方法的局限，促進了可編程且在幾何學上構型複雜的陶瓷製作，能製備各類複雜構型的結構陶瓷和功能陶瓷，具有廣泛的應用潛力，例如適用於過濾器、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，為界面工程與智能製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同發展。」

這項研究最近在全球頂尖的綜合學術期刊《自然通訊》發表，題為「A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics」。論文的共同第一作者包括洪穎博士、劉世源博士及楊曉丹。洪博士與劉博士曾擔任科大的博士後研究員，而楊曉丹則是楊徵保教授指導的博士生。

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（原文於2024年9月10日在EurekAlert刊登。）