華中科技大學材料學院周華民黃威團隊在仿生多孔陶瓷領域取得重要進展

　　【儀表網 研發快訊】3月19日，《極端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM)在線刊發材料學院周華民、黃威教授研究成果“耐損傷多層級多孔陶瓷的冷凍3D打印”(Cryogenic 3D printing of damage tolerant hierarchical porous ceramics)。我校材料學院、材料成形與模具技術全國重點實驗室為第一完成單位及第一通訊單位，周華民、黃威和北京理工大學王濤教授為論文共同通訊作者，該團隊成員博士生朱征以及北京理工大學高丹丹為共同第一作者，材料學院吳斌、孫明翰老師等對該工作的數據分析提供了大力支持。
 

 

　　多孔陶瓷具有低密度、高比表面積、耐高溫和耐腐蝕等優點，已在輕質結構、催化劑載體、過濾和骨組織工程等多個領域得到廣泛的應用。目前常用的制備多孔陶瓷的方法有部分燒結、復制模板、冷凍鑄造和直接發泡法等，但由于陶瓷固有的脆性導致難以制備復雜形狀和結構的多孔陶瓷，且孔隙結構單一，力學性能受限，抗沖擊性能較差。自然界中，烏賊骨、硅藻、竹子等生物礦化組織通過多層級多孔結構(納米-微米-宏觀)實現了輕量化與高韌性的平衡，例如烏賊骨的分層孔隙可通過逐級塌縮高效吸收沖擊能量。受此啟發，將多層級多孔結構賦予多孔陶瓷中以制造多尺度結構，或為克服陶瓷固有的脆性提供了一種新的策略并拓展其應用可能性。然而，如何在陶瓷中引入多層級多孔結構，仍然是陶瓷加工領域的重大挑戰之一。因此，開發一種能夠融合多層級多孔設計與復雜幾何成型的制造技術，成為突破陶瓷材料性能瓶頸的關鍵。
 

 

　　本研究采用了一種將直寫墨水書寫式3D打印技術與冷凍鑄造法結合的方式，稱之為“冷凍3D打印”。這項技術是通過結合冷凍鑄造的孔隙生成機制與3D打印的高自由度，實現了多層級多孔結構的精準構筑。該技術制備多層級多孔陶瓷包括漿料配制、低溫擠出成型、冷凍干燥與高溫燒結。首先，以氧化鋁納米顆粒與殼聚糖為原料制備打印漿料，通過低溫(-20℃)打印平臺逐層擠出漿料，漿料的路徑可控制樣品形成宏觀孔隙，并利用冰晶定向生長形成微米級層狀孔隙；隨后，冷凍干燥去除冰晶并保留微米孔隙；最后，高溫燒結去除有機物并同步形成納米孔隙。通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和計算機斷層掃描(μCT)等多種表征手段揭示了這種多層級多孔的結構。此外，本研究還驗證了該技術對膠原蛋白、碳化硅、二氧化硅、鈦合金等等多種材料的普適性，為多功能多孔材料的開發奠定了基礎。
 

　　本研究制備的多層級多孔陶瓷表現出優越的力學性能，在準靜態壓縮下，平臺應變長達60%，比能量吸收達10.011 kJ/kg，優于多數金屬與復合材料；動態沖擊測試中，抗壓強度達8.854 MPa，且在2000 s?¹高應變率下仍保持穩定能量吸收。通過本課題制備的樣品和其他的之前已報道的多孔陶瓷對比，本研究中多層級多孔陶瓷不僅沒有出現單一孔尺寸陶瓷固有的應力脆性斷裂，而且表現出遠高于同孔隙率下其他陶瓷樣品的機械強度和獨一無二的高比能量吸收。本研究進一步結合SEM、原位μCT、高速攝像與有限元模擬，揭示了多層級多孔陶瓷在準靜態壓縮與高速沖擊下的破壞機制：宏觀孔隙通過逐層塌縮延長平臺應變，微米孔隙通過壁面斷裂耗能，納米孔隙則通過局部致密化提升能量吸收。該成果不僅為耐損傷輕質陶瓷的制造開辟了新方式，更為機械超材料、智能防護系統等領域的多尺度結構設計提供了新的途徑。