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表面张力驱动加工方法实现复杂构型多孔陶瓷的高性能制造

来源:高分子科学前沿 浏览 124 次 发布时间:2024-06-18

陶瓷材料的三维结构化设计和加工可以重塑结构陶瓷和功能陶瓷的性能,拓展其应用场景。但目前包括增材制造在内的现有加工手段或多或少存在浆料固含量难以提高、复杂构型陶瓷加工困难、加工成本高、加工精度与速度较低等问题。香港科技大学杨征保教授团队提出了一种受自然启发的表面张力驱动加工方法(STATS),该方法受硅藻壳生物矿化过程的启发,利用表面张力精密控制浆料的几何构型,实现复杂构型多孔陶瓷的高性能制造。研究团队以压电陶瓷为例,展示了该方法在复杂构型压电陶瓷致密性、结构复杂性、加工精度、加工速度、成本以及压电性能上的优势。该研究工作近期在Nature Communications上发表,标题为“A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics”。

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。


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。


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。


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2)。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2.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。