功能性壓電陶瓷材料可以用于傳感器和致動器，卻因為其易碎的特質(zhì)及難以后期加工成不同的形狀，而限制了其應(yīng)用方式。針對功能性陶瓷材料造型的問題，由香港城市大學(xué)（城大）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，近日便首創(chuàng)出一個原理簡單的方法 ，透過結(jié)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(yīng)用環(huán)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(jī)器人、電子及半導(dǎo)體范疇的相關(guān)研究發(fā)展。

該研究團(tuán)隊由城大機(jī)械工程學(xué)系（MNE）助理教授楊征保博士領(lǐng)導(dǎo)。研究成果已于科學(xué)期刊《 自然-通訊  》（Nature Communications）上發(fā)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(wěn)定的機(jī)械性能，而且成本低，常用于制作電子及能源器件。現(xiàn)時行業(yè)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(shù)所限，要打印出結(jié)構(gòu)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(chǎn)生電壓，稱為“壓電效應(yīng)”)。針對上述技術(shù)瓶頸問題，楊博士的團(tuán)隊巧妙地在壓電陶瓷材料加熱的過程中運(yùn)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并不復(fù)雜，只要好好把控材料下的支撐點的擺放位置，就可以調(diào)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(tuán)隊首創(chuàng)出重力驅(qū)動燒結(jié)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(tuán)隊先將壓電陶瓷材料按壓成塊狀，并根據(jù)需要的弧度而在材料下放置支撐物，然后一并放進(jìn)熱爐里加熱至攝氏1,200度。

研究團(tuán)隊成員之一、城大建筑學(xué)及土木工程學(xué)系林志華教授解釋道：“在高溫?zé)频倪^程中，本為固體的材料會受熱軟化，而位于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(xiàn)弧度。材料之后會被冷卻，并維持著該弧度。”

改變支撐點以調(diào)控材料的弧度

研究團(tuán)隊透過改變支撐點的位置，便可以調(diào)控材料成品的弧度。例如：支撐點相距較遠(yuǎn)的話，材料出現(xiàn)的弧度會較大，假如將支撐點放在材料的中間然后加熱，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(tuán)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(dǎo)熱性好，又不會與材料發(fā)生反應(yīng)。團(tuán)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(jīng)實驗證明結(jié)構(gòu)緊實，而且展現(xiàn)出與用傳統(tǒng)方法燒制的材料相若的高壓電性能與機(jī)械性能。

楊博士說：“我們是首個團(tuán)隊做到在不犧牲壓電性能與機(jī)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(fù)結(jié)構(gòu)與高功能性的材料塑型技術(shù)

由于制作方法簡單，無需借助精密儀器，研究人員有很大自由度自行設(shè)計材料的形狀。這個新創(chuàng)的燒制方式成本低，同時也可以應(yīng)用于其他功能性壓電陶瓷材料，并有利于用作大規(guī)模的生產(chǎn)。

楊博士總結(jié)說：“我們團(tuán)隊開創(chuàng)的方法可以燒制出不同幾何形狀復(fù)雜的壓電陶瓷組件，有利以陶瓷材料制作出具復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、兼良好性能的功能性裝置。相信我們這個方法會促進(jìn)陶瓷材料功能性裝置的研發(fā)，以及其現(xiàn)實的應(yīng)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。除了建筑學(xué)及土木工程學(xué)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(biāo)和洪穎亦有參與研究。其他研究人員則來自華中科技大學(xué)，包括張光祖教授。

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。除了建筑學(xué)及土木工程學(xué)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(biāo)和洪穎亦有參與研究。其他研究人員則來自華中科技大學(xué)，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(chǔ)研究項目的資助而進(jìn)行。

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

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
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