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表面張力驅(qū)動加工方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型多孔陶瓷的高性能制造
來源：高分子科學(xué)前沿 瀏覽 166 次 發(fā)布時(shí)間:2024-06-18
陶瓷材料的三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和加工可以重塑結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷的性能，拓展其應(yīng)用場景。但目前包括增材制造在內(nèi)的現(xiàn)有加工手段或多或少存在漿料固含量難以提高、復(fù)雜構(gòu)型陶瓷加工困難、加工成本高、加工精度與速度較低等問題。香港科技大學(xué)楊征保教授團(tuán)隊(duì)提出了一種受自然啟發(fā)的表面張力驅(qū)動加工方法（STATS），該方法受硅藻殼生物礦化過程的啟發(fā)，利用表面張力精密控制漿料的幾何構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型多孔陶瓷的高性能制造。研究團(tuán)隊(duì)以壓電陶瓷為例，展示了該方法在復(fù)雜構(gòu)型壓電陶瓷致密性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、加工精度、加工速度、成本以及壓電性能上的優(yōu)勢。該研究工作近期在Nature Communications上發(fā)表，標(biāo)題為“A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics”。
圖1.受硅藻啟發(fā)的STATS復(fù)雜構(gòu)型陶瓷加工方法
硅藻獨(dú)特的生物礦化過程使硅藻擁有多種多樣的硅酸鹽外殼形貌（圖1a）。不同于陶瓷3D打印的逐層增材制造，硅藻殼的生物礦化由結(jié)構(gòu)成型和成分匹配兩部分組成，硅藻細(xì)胞構(gòu)成了最開始的有機(jī)骨架，而持續(xù)的硅化過程則進(jìn)一步合成了硅酸鹽外殼的主要成分。這種將結(jié)構(gòu)成型和成分匹配分開的兩步法策略可以有效提高合成速度。
受此啟發(fā)，香港科技大學(xué)楊征保教授的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種表面張力驅(qū)動的兩步法加工策略（STATS），在利用傳統(tǒng)DLP增材制造方法制備三維有機(jī)骨架的基礎(chǔ)上，將具有所需成分的前驅(qū)體溶液填充到有機(jī)骨架中。在表面張力的作用下，前驅(qū)體溶液會有序地填充到設(shè)計(jì)好的有機(jī)骨架中，形成溶液的圖案化分布。最終經(jīng)過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和高溫?zé)Y(jié)，得到三維復(fù)雜構(gòu)型多孔陶瓷。研究團(tuán)隊(duì)利用該方法制造了一系列具有各種單元尺寸、單元形狀、相對密度、三維結(jié)構(gòu)和組成成分的多孔陶瓷，充分證明了該方法在制備復(fù)雜構(gòu)型結(jié)構(gòu)陶瓷（例如Al2O3）和功能陶瓷（例如TiO2、BiFeO3、BaTiO3）方面具有廣泛的適用性和商業(yè)前景。
為確保前驅(qū)體溶液可以被有機(jī)骨架單元捕獲并在有機(jī)骨架中形成圖案化分布，研究團(tuán)隊(duì)利用仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了有機(jī)骨架單元尺寸（單元長度和直徑），行列高度，和周期性三維結(jié)構(gòu)對前驅(qū)體溶液在有機(jī)骨架中分布情況的影響。
為進(jìn)一步闡述所開發(fā)的STATS制造工藝的優(yōu)異性，研究團(tuán)隊(duì)制備了一系列經(jīng)過三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多孔壓電陶瓷，并對其機(jī)械性能和壓電性能進(jìn)行了表征（圖2）。STATS法加工的多孔壓電陶瓷具有整體多孔但局部致密的特點(diǎn)，即使在相對密度（多孔陶瓷與實(shí)心塊體陶瓷的密度比值）較低的情況下（0.13-0.34），也能具有較高的斷裂強(qiáng)度（1.0-3.9 MPa）和壓電常數(shù)d33（200 pC N-1）。為進(jìn)一步評估壓電陶瓷超材料的壓電響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)基于由周期性結(jié)構(gòu)單元組成的有機(jī)骨架制備了一系列具有不同三維結(jié)構(gòu)的多孔壓電陶瓷，該方法加工的壓電陶瓷展示出優(yōu)異的壓電響應(yīng)和各向異性。
圖2.基于STATS方法制備的多孔壓電陶瓷的壓電性能
楊征保教授團(tuán)隊(duì)提出的STATS制造策略克服了傳統(tǒng)制造方法的局限性，可高效制備可編程復(fù)雜構(gòu)型結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，在過濾器、傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器人、電池電極、太陽能電池和殺菌設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，該研究通過流體界面工程來進(jìn)行固體材料加工的思路也為界面工程與智能制造的結(jié)合提供了一種新的解決方案，促進(jìn)了先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能材料的協(xié)同發(fā)展。