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

Piezoceramics with controllable curves
图为香港城市大学研究团队以重力驱动烧结方法来制作的压电陶瓷材料,成品的弧度各有不同。

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。

Gravity-driven sintering technique
图为香港城市大学研究团队以重力驱动烧结方法制作压电陶瓷材料的过程,在加热的过程中令材料出现可调控的弧度。(DOI number: 10.1038/s41467-021-26373-x)

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。

Tuning the curvature
研究团队改变支撑物的位置,便可以调控材料的弧度。图为研究团队所采用的不同放置方法以及成品。(DOI number: 10.1038/s41467-021-26373-x)

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

CityU team led by Dr Yang Zhengbao
城大机械工程学系助理教授杨征保博士(左)领导的团队结合热力和重力,成功烧制出弧度可控的功能性陶瓷材料。团队成员包括建筑学及土木工程学系林志华教授(右),和机械工程学系博士生候选人单尧(中)。

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。
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