供稿人:魯陽 李滌塵 魯中良 朱偉軍 發(fā)布日期：2017-07-02
低密度、高度多孔的陶瓷材料由于其可調(diào)熱性能和較高的機械強度而得到越來越廣泛的應用，例如催化、過濾、熱交換、生物醫(yī)學支架和能量儲存等領域。而孔隙率更高的層狀多孔陶瓷材料的相對抗壓強度和材料活性表面的可接近性均優(yōu)于非層狀多孔陶瓷材料。因此層狀多孔陶瓷材料的制造技術(shù)是極為有意義的研究方向。目前雖然已經(jīng)開發(fā)了廣泛的技術(shù)，包括使用犧牲模板和陶瓷支架的3D打印技術(shù)用于生產(chǎn)高度多孔陶瓷，但層狀多孔陶瓷材料的合成仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的科技任務。
層狀多孔陶瓷的主要優(yōu)點之一是低密度和高相對抗壓強度的組合，這源于在不同長度比例引入承重結(jié)構(gòu)單元所取得的機械效率。這樣的特征是天然材料（如竹、骨）的標志。
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院材料系Clara Minas等人通過Direct Ink Writing（DIW）技術(shù)打印出了具有前所未有的強度重量比和三種不同長度尺寸的可調(diào)孔徑的層狀多孔陶瓷。這種基于擠出的打印成型方法依賴于顆粒穩(wěn)定的乳液和泡沫形式油墨的配方，使其在打印過程中足夠穩(wěn)定以抵抗聚結(jié)。
圖1 層狀多孔陶瓷加工原理圖。（線路I）DIW高固相凝膠（mm范圍）；（線路II）乳化/發(fā)泡凝膠（μm范圍）；（線路III）乳液/泡沫模板與DIW組合制成具有多個尺度大孔隙的層狀多孔陶瓷
圖2 （A）DIW多孔陶瓷材料；（B）立體晶格支架；（C）高倍電鏡下通過DIW打印的氧化鋁多孔結(jié)構(gòu)：頂排（綠色），具有閉氣孔的泡沫模板結(jié)構(gòu)；中排（紅色），具有閉氣孔的乳液模板結(jié)構(gòu)；底排（藍色），具有開氣孔的含PVA的乳劑模板結(jié)構(gòu)
該項技術(shù)使用表面活性顆粒和聚乙烯醇（PVA）作為乳液/泡沫的穩(wěn)定劑可以實現(xiàn)封閉或開放的孔隙率。這允許根據(jù)是否需要可接近的表面而將多孔微結(jié)構(gòu)調(diào)整到寬范圍的應用。即通過調(diào)節(jié)油墨配方來控制局部結(jié)構(gòu)的開閉氣孔率。
圖3 兩種不同油墨的過渡區(qū)
該項工作著重于使用Al2O3作為3D打印的結(jié)構(gòu)單元，但加工路線可以調(diào)整到廣泛的陶瓷粉末，以滿足目標輕量化、生物醫(yī)學、能量和催化應用的要求。