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克服 3D 打印局限，更快捷的多孔陶瓷材料工藝
科大研發
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楊徵保博士表示，這項研究的靈感來自矽藻，單細胞矽藻擁有獨特的矽酸鹽外殼，其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。
香港科技大學（科大）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）的局限，更簡易快捷地製造具有複雜三維構型的多孔陶瓷材料，有望革新多種陶瓷材料的設計與加工技術，從而廣泛應用於能源、電子和生物醫學等多個領域的產品上，包括過濾器、傳感器、驅動器、機械人、電池電極、太陽能電池和殺菌設備等。
研究成果已刊於《自然 － 通訊》，題為 A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics。
成分匹配／結構成型的分離
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。為了更有效地製造這種物料，科大工學院機械及航空航天工程學系副教授楊徵保博士帶領團隊，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。團隊借助了表面張力，通過表面張力將流體聚集並固定在骨架中，並控制幾何形狀，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，通過可編程製造，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。
受大自然啟發而設計出來的「表面張力輔助兩步法」工藝
該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。
靈感來自矽藻：生物礦化
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，STATS 工藝的原始漿料中的有機成分顯著減少，結果有效減少了陶瓷中的微孔，提高了局部緻密性。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）。
楊徵保博士表示，這項研究的靈感來自矽藻，單細胞矽藻擁有獨特的矽酸鹽外殼，其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。
楊徵保博士說：「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。」
研究團隊
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。
（左起）科大機械及航空航天工程學系副教授楊徵保博士，及其研究團隊成員洪穎博士、劉世源博士和楊曉丹女士
來源：香港科技大學
科大研發
克服 3D 打印局限，更快捷的多孔陶瓷材料工藝
