陶瓷材料的三維結(jié)構(gòu)化設計和加工可以重塑結(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。香港科技大學楊征保教授團隊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，實現(xiàn)復雜構(gòu)型多孔陶瓷的高性能制造。研究團隊以壓電陶瓷為例，展示了該方法在復雜構(gòu)型壓電陶瓷致密性、結(jié)構(gòu)復雜性、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，標題為“A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics”。

圖1.受硅藻啟發(fā)的STATS復雜構(gòu)型陶瓷加工方法

硅藻獨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，硅藻細胞構(gòu)成了最開始的有機骨架，而持續(xù)的硅化過程則進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)，香港科技大學楊征保教授的研究團隊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骨架的基礎上，將具有所需成分的前驅(qū)體溶液填充到有機骨架中。在表面張力的作用下，前驅(qū)體溶液會有序地填充到設計好的有機骨架中，形成溶液的圖案化分布。最終經(jīng)過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和高溫燒結(jié)，得到三維復雜構(gòu)型多孔陶瓷。研究團隊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)體溶液可以被有機骨架單元捕獲并在有機骨架中形成圖案化分布，研究團隊利用仿真和實驗進一步研究了有機骨架單元尺寸（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)體溶液在有機骨架中分布情況的影響。

為進一步闡述所開發(fā)的STATS制造工藝的優(yōu)異性，研究團隊制備了一系列經(jīng)過三維結(jié)構(gòu)設計的多孔壓電陶瓷，并對其機械性能和壓電性能進行了表征（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，即使在相對密度（多孔陶瓷與實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度（1.0-3.9 MPa）和壓電常數(shù)d33（200 pC N-1）。為進一步評估壓電陶瓷超材料的壓電響應，研究團隊基于由周期性結(jié)構(gòu)單元組成的有機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

楊征保教授團隊提出的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、機器人、電池電極、太陽能電池和殺菌設備等領域具有廣泛的應用前景。此外，該研究通過流體界面工程來進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，促進了先進結(jié)構(gòu)設計和智能材料的協(xié)同發(fā)展。