香港科技大学杨征保课题组《自然·通讯》:一种受自然启发的表面张力驱动加工方法，用于复杂构型多孔陶瓷制造

图1. 受硅藻启发的STATS复杂构型陶瓷加工方法

硅藻独特的生物矿化过程使硅藻拥有多种多样的硅酸盐外壳形貌（图1a）。不同于陶瓷3D打印的逐层增材制造，硅藻壳的生物矿化由结构成型和成分匹配两部分组成，硅藻细胞构成了最开始的有机骨架，而持续的硅化过程则进一步合成了硅酸盐外壳的主要成分。这种将结构成型和成分匹配分开的两步法策略可以有效提高合成速度。

图2. 复杂构型多孔陶瓷的加工和表征

受此启发，香港科技大学杨征保教授的研究团队提出了一种表面张力驱动的两步法加工策略（STATS），在利用传统DLP增材制造方法制备三维有机骨架的基础上，将具有所需成分的前驱体溶液填充到有机骨架中。在表面张力的作用下，前驱体溶液会有序地填充到设计好的有机骨架中，形成溶液的图案化分布。最终经过溶胶-凝胶转变和高温烧结，得到三维复杂构型多孔陶瓷。研究团队利用该方法制造了一系列具有各种单元尺寸、单元形状、相对密度、三维结构和组成成分的多孔陶瓷，充分证明了该方法在制备复杂构型结构陶瓷（例如 Al₂O₃）和功能陶瓷（例如 TiO₂、BiFeO₃、BaTiO₃）方面具有广泛的适用性和商业前景（图2）。

图3. 周期性三维有机骨架的结构设计

为确保前驱体溶液可以被有机骨架单元捕获并在有机骨架中形成图案化分布，研究团队利用仿真和实验进一步研究了有机骨架单元尺寸（单元长度和直径），行列高度，和周期性三维结构对前驱体溶液在有机骨架中分布情况的影响（图3）。

为进一步阐述所开发的STATS制造工艺的优异性，研究团队制备了一系列经过三维结构设计的多孔压电陶瓷，并对其机械性能和压电性能进行了表征（图4）。STATS法加工的多孔压电陶瓷具有整体多孔但局部致密的特点，即使在相对密度（多孔陶瓷与实心块体陶瓷的密度比值）较低的情况下（0.13-0.34），也能具有较高的断裂强度（1.0-3.9 MPa）和压电常数d₃₃（200 pC N^-1）。为进一步评估压电陶瓷超材料的压电响应，研究团队基于由周期性结构单元组成的有机骨架制备了一系列具有不同三维结构的多孔压电陶瓷，该方法加工的压电陶瓷展示出优异的压电响应和各向异性。

图4. 基于STATS方法制备的多孔压电陶瓷的压电性能

杨征保教授团队提出的 STATS 制造策略克服了传统制造方法的局限性，可高效制备可编程复杂构型结构陶瓷和功能陶瓷，在过滤器、传感器、执行器、机器人、电池电极、太阳能电池和杀菌设备等领域具有广泛的应用前景。此外，该研究通过流体界面工程来进行固体材料加工的思路也为界面工程与智能制造的结合提供了一种新的解决方案，促进了先进结构设计和智能材料的协同发展。

该研究工作受香港研究资助局（GRF Project No. 11212021 and No. 11210822）和香港特别行政区创新科技署（ITF Project No. ITS/065/20 和 GHP/096/19SZ）资助。香港科技大学博后洪颖博士、刘世源博士、香港城市大学博士生杨晓丹为论文共同第一作者，其他合作研究机构包括北京理工大学和上海大学，其他合作者包括洪旺、单尧、王标、张卓敏、晏晓东、林伟康、李学木、彭泽华、许晓特。

香港科技大学杨征保教授课题组Smart Transducers and Vibration Laboratory (STVL)，研究方向主要包括：振动学、压电材料、能量采集、柔性电子、无线传感、超声、MEMS等，课题组长期招收博士、博后和访问学者，欢迎感兴趣的同学联系。

--检测服务--