今年6月，自然通訊期刊上發表了來自香港科技大學工程學院領導研究項目取得的成果，研究人員開發出一種創新的蜂窩陶瓷的制備方法，結合3D打印突破了傳統制備的局限，顯著簡化并加速了幾何形狀復雜的多孔陶瓷的生產。

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）、數字光處理（DLP）和選擇性激光燒結（SLS）等3D打印技術快速發展，相比傳統成型和機械加工的局限，這些可編程幾何復雜且精確的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雜、成分負載有限、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

研究團隊受硅藻殼生物礦化過程的啟發，設計了一種兩步處理策略（STATS法）來制造具有基于細胞的編程3D架構的多孔陶瓷，包括制備基于細胞的有機晶格，并輔以增材制造方法來構建基本結構和將具有所需成分的前體溶液填充到構建的晶格中。該工藝路線的關鍵在于如何捕獲前體溶液并控制液體幾何形狀，科研團隊注意并引入了表面張力效應——具體來說，與硅藻細胞類似的基于細胞的微結構晶格首先是通過增材制造方法實現的。進而，制備好的前體溶液通過表面張力被捕獲在晶格中，這模擬了硅藻細胞中硅酸通過主動吸收過程的聚集。經過干燥和燒結，對應于硅藻殼形成過程中的硅化和沉淀過程，最終獲得具有設計結構和成分的多孔陶瓷。

蜂窩陶瓷的制造與表征

該團隊進一步從理論上和實驗上研究了由晶胞和晶柱組裝而成的架構晶格的幾何參數，以指導在排列配置中創建3D流體界面。經過干燥和高溫燒結后，得到建筑多孔陶瓷。使用新的STATS法，將成分合成與結構構建分開，從而能夠可編程制造具有各種單元尺寸、幾何形狀、密度、元結構和組成元素的蜂窩陶瓷。該方法具有高度的可編程性，既適用于結構陶瓷（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進行驗證，他們發現，由于原料中的有機成分顯著減少，所提出的方法可以減少微孔并提高燒結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，也能實現相對較高的壓電常數。

論文通訊作者表示，“這種新穎的方法可以幫助加工眾多結構和功能性蜂窩陶瓷，為涉及過濾器、傳感器、執行器、機器人、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新制造的結合提供了新的解決方案，啟發了先進設計和智能材料的協同發展。”

編譯整理 YUXI