今年6月，自然通讯期刊上发表了来自香港科技大学工程学院领导研究项目取得的成果，研究人员开发出一种创新的蜂窝陶瓷的制备方法，结合3D打印突破了传统制备的局限，显著简化并加速了几何形状复杂的多孔陶瓷的生产。

论文地址：DOI：10.1038/s41467-024-49345-3

近年来，直接墨水写入（DIW）、立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）和选择性激光烧结（SLS）等3D打印技术快速发展，相比传统成型和机械加工的局限，这些可编程几何复杂且精确的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备过程复杂、成分负载有限、打印精度和速度降低、加工成本增加等困难。

表面张力辅助两步法蜂窝陶瓷制备示意图

研究团队受硅藻壳生物矿化过程的启发，设计了一种两步处理策略（STATS法）来制造具有基于细胞的编程3D架构的多孔陶瓷，包括制备基于细胞的有机晶格，并辅以增材制造方法来构建基本结构和将具有所需成分的前体溶液填充到构建的晶格中。该工艺路线的关键在于如何捕获前体溶液并控制液体几何形状，科研团队注意并引入了表面张力效应——具体来说，与硅藻细胞类似的基于细胞的微结构晶格首先是通过增材制造方法实现的。进而，制备好的前体溶液通过表面张力被捕获在晶格中，这模拟了硅藻细胞中硅酸通过主动吸收过程的聚集。经过干燥和烧结，对应于硅藻壳形成过程中的硅化和沉淀过程，最终获得具有设计结构和成分的多孔陶瓷。

蜂窝陶瓷的制造与表征

该团队进一步从理论上和实验上研究了由晶胞和晶柱组装而成的架构晶格的几何参数，以指导在排列配置中创建3D流体界面。经过干燥和高温烧结后，得到建筑多孔陶瓷。使用新的STATS法，将成分合成与结构构建分开，从而能够可编程制造具有各种单元尺寸、几何形状、密度、元结构和组成元素的蜂窝陶瓷。该方法具有高度的可编程性，既适用于结构陶瓷（如Al₂O₃），也适用于功能陶瓷（如TiO₂、BiFeO₃、BaTiO₃）。研究人员还研究了蜂窝压电陶瓷的压电性能。以PZT进行验证，他们发现，由于原料中的有机成分显着减少，所提出的方法可以减少微孔并提高烧结多孔陶瓷的局部致密性。该工艺有利于制造全局多孔和局部致密的蜂窝压电陶瓷，即使在总体孔隙率非常高（>90%）的情况下，也能实现相对较高的压电常数。

论文通讯作者表示，“这种新颖的方法可以帮助加工众多结构和功能性蜂窝陶瓷，为涉及过滤器、传感器、执行器、机器人、电池电极、此外，固体制造的工程流体界面理念也为界面加工与创新制造的结合提供了新的解决方案，启发了先进设计和智能材料的协同发展。”

编译整理 YUXI