香港科技大学研发新型工艺技术，有效简化多孔陶瓷材料制作过程

香港科技大学（港科大）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、电子和生物医学等多个领域的产品上，例如机械人、太阳能电池、传感器、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、具耐冲蚀性、使用寿命长。为研究有效制造这种物料的方法，港科大机械及航空航天工程学系副教授杨征保带领团队采用「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。

受大自然启发而设计出来的「表面张力辅助两步法」工艺。

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。经过烘干处理和高温烧结后，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、几何形状、相对密度、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）、铁酸铋（BiFeO3）、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著减少，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，其优势尤为显著，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、结构、几何构造、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、传感器、驱动器、机械人、电池电极、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、刘世源博士及杨晓丹。洪博士与刘博士曾担任港科大的博士后研究员，而杨晓丹则是杨征保教授指导的博士生。