简单原理突破技术限制，烧制孤度可控的功能性陶瓷材料

功能性压电陶瓷材料可以用于传感器和致动器，却因为其易碎的特质及难以后期加工成不同的形状，而限制了其应用方式。针对功能性陶瓷材料造型的问题，由香港城市大学（城大）科学家领导的一项研究，近日便首创出一个原理简单的方法 ，透过结合热力和重力，成功烧制出弧度可控的功能性陶瓷材料。研究成果令科研人员可以按不同的应用环境和需要，制作出不同形状的功能性陶瓷材料，相信將有助推动该材料在机器人、电子及半导体范畴的相关研究发展。

该研究团队由城大机械工程学系（MNE）助理教授杨征保博士领导。研究成果已于科学期刊《 自然-通讯  》（Nature Communications）上发表，题为〈A gravity-driven sintering method to fabricate geometrically complex compact piezoceramics〉。

解决功能性陶瓷材料造型问题

压电陶瓷是一种常用的功能性陶瓷材料，具稳定的机械性能，而且成本低，常用于制作电子及能源器件。现时行业主要以3D打印的方法制作不同形状的压电陶瓷组件，然而受技术所限，要打印出结构紧實的弯曲陶瓷是比较困难，而且材料的几何形状往往会影响其压电性能( 即指透过施加压力而产生电压，称为“压电效应”)。针对上述技术瓶頸问题，杨博士的团队巧妙地在压电陶瓷材料加热的过程中运用重力，成功烧制出弧度可控的功能性陶瓷材料。

杨博士說：“我们这个烧制方法的原理并不复杂，只要好好把控材料下的支撑点的摆放位置，就可以调控材料的弧度，而且最重要的是这个方法不會影响材料的高压电性能。”

团队首创出重力驱动烧结方法（gravity-driven sintering technique）来制作压电陶瓷材料，在加热的过程中得以塑形。团队先将压电陶瓷材料按压成块状，并根据需要的弧度而在材料下放置支撑物，然后一并放进热炉里加热至摄氏1,200度。

研究团队成员之一、城大建筑学及土木工程学系林志华教授解释道：“在高温烧制的过程中，本为固体的材料会受热軟化，而位于两个支撑物之间的材料就会受地心吸力影响而下垂，令材料出现弧度。材料之后会被冷却，并维持着该弧度。”

改变支撑点以调控材料的弧度

研究团队透过改变支撑点的位置，便可以调控材料成品的弧度。例如：支撑点相距较远的话，材料出现的弧度会较大，假如将支撑点放在材料的中间然后加热，那材料的左右两边就会受重力影响而向下垂，烧制出的材料就会变成拱型。若在材料下方放置模具，材料就会按模具的弧度被塑型。

研究团队使用市面上买来的氧化铝块作为支撑物，原因是氧化铝耐高温而且导热性好，又不会与材料发生反应。团队用此方法烧制出三款弧度不同的锆钛酸铅（lead zirconate titanate, PZT ）压电陶瓷，经实验证明结构紧实，而且展现出与用传统方法烧制的材料相若的高压电性能与机械性能。

杨博士說：“我们是首个团队做到在不牺牲压电性能与机械性能的情况下，将压电陶瓷材料烧制成特定的形状。”

兼具繁复结构与高功能性的材料塑型技术

由于制作方法简单，无需借助精密仪器，研究人员有很大自由度自行设计材料的形状。这个新创的烧制方式成本低，同时也可以应用于其他功能性压电陶瓷材料，并有利于用作大规模的生产。

杨博士总结说：“我们团队开创的方法可以烧制出不同几何形状复杂的压电陶瓷组件，有利以陶瓷材料制作出具复杂几何结构、兼良好性能的功能性装置。相信我们这个方法会促进陶瓷材料功能性装置的研发，以及其现实的应用，例如可制成高效的传感器和致动器。”

杨博士是论文的通讯作者。第一作者是城大MNE的博士生候选人单尧。除了建筑学及土木工程学系林志华教授外，同样来自城大的包括MNE的博士生候选人刘世源、王标和洪颖亦有参与研究。其他研究人员则来自华中科技大学，包括张光祖教授。

杨博士是论文的通讯作者。第一作者是城大MNE的博士生候选人单尧。除了建筑学及土木工程学系林志华教授外，同样来自城大的包括MNE的博士生候选人刘世源、王标和洪颖亦有参与研究。其他研究人员则来自华中科技大学，包括张光祖教授。

是次研究获得香港研究资助局及深圳市基础研究项目的资助而进行。

DOI number: 10.1038/s41467-021-26373-x

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
Wechat ID: CityU_Research