簡單原理突破技術限制,燒制孤度可控的功能性陶瓷材料

功能性壓電陶瓷材料可以用於傳感器和致動器，卻因為其易碎的特質及難以後期加工成不同的形狀，而限制了其應用方式。針對功能性陶瓷材料造型的問題，由香港城市大學（城大）科學家領導的一項研究，近日便首創出一個原理簡單的方法 ，透過結合熱力和重力，成功燒制出弧度可控的功能性陶瓷材料。研究成果令科研人員可以按不同的應用環境和需要，制作出不同形狀的功能性陶瓷材料，相信將有助推動該材料在機器人、電子及半導體範疇的相關研究發展。

該研究團隊由城大機械工程學系（MNE）助理教授楊征保博士領導。研究成果已於科學期刊《 自然-通訊  》（Nature Communications）上發表，題為〈A gravity-driven sintering method to fabricate geometrically complex compact piezoceramics〉。

解決功能性陶瓷材料造型問題

壓電陶瓷是一種常用的功能性陶瓷材料，具穩定的機械性能，而且成本低，常用於制作電子及能源器件。現時行業主要以3D打印的方法制作不同形狀的壓電陶瓷組件，然而受技術所限，要打印出結構緊實的彎曲陶瓷是比較困難，而且材料的幾何形狀往往會影響其壓電性能(即指透過施加壓力而產生電壓，稱為「壓電效應」)。針對上述技術瓶頸問題，楊博士的團隊巧妙地在壓電陶瓷材料加熱的過程中運用重力，成功燒制出弧度可控的功能性陶瓷材料。

楊博士說：「我們這個燒制方法的原理並不復雜，只要好好把控材料下的支撐點的擺放位置，就可以調控材料的弧度，而且最重要的是這個方法不會影響材料的高壓電性能。」

團隊首創出重力驅動燒結方法（gravity-driven sintering technique）來制作壓電陶瓷材料，在加熱的過程中得以塑形。團隊先將壓電陶瓷材料按壓成塊狀，並根據需要的弧度而在材料下放置支撐物，然後一並放進熱爐裡加熱至攝氏1,200度。

研究團隊成員之一、城大建築學及土木工程學系林志華教授解釋道：「在高溫燒制的過程中，本為固體的材料會受熱軟化，而位於兩個支撐物之間的材料就會受地心吸力影響而下垂，令材料出現弧度。材料之後會被冷卻，並維持著該弧度。」

改變支撐點以調控材料的弧度

研究團隊透過改變支撐點的位置，便可以調控材料成品的弧度。例如：支撐點相距較遠的話，材料出現的弧度會較大，假如將支撐點放在材料的中間然後加熱，那材料的左右兩邊就會受重力影響而向下垂，燒制出的材料就會變成拱型。若在材料下方放置模具，材料就會按模具的弧度被塑型。

研究團隊使用市面上買來的氧化鋁塊作為支撐物，原因是氧化鋁耐高溫而且導熱性好，又不會與材料發生反應。團隊用此方法燒制出三款弧度不同的鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate, PZT ）壓電陶瓷，經實驗證明結構緊實，而且展現出與用傳統方法燒制的材料相若的高壓電性能與機械性能。

楊博士說：「我們是首個團隊做到在不犧牲壓電性能與機械性能的情況下，將壓電陶瓷材料燒制成特定的形狀。」

兼具繁復結構與高功能性的材料塑型技術

由於制作方法簡單，無需借助精密儀器，研究人員有很大自由度自行設計材料的形狀。這個新創的燒制方式成本低，同時也可以應用於其他功能性壓電陶瓷材料，並有利於用作大規模的生產。

楊博士總結說：「我們團隊開創的方法可以燒制出不同幾何形狀復雜的壓電陶瓷組件，有利以陶瓷材料制作出具復雜幾何結構、兼良好性能的功能性裝置。相信我們這個方法會促進陶瓷材料功能性裝置的研發，以及其現實的應用，例如可制成高效的傳感器和致動器。」

楊博士是論文的通訊作者。第一作者是城大MNE的博士生候選人單堯。除了建築學及土木工程學系林志華教授外，同樣來自城大的包括MNE的博士生候選人劉世源、王標和洪穎亦有參與研究。其他研究人員則來自華中科技大學，包括張光祖教授。

是次研究獲得香港研究資助局及深圳市基礎研究項目的資助而進行。

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