Innovatieve methode transformeert keramiekproductie en vereenvoudigt fabricage van complexe cellulaire ontwerpen
AmsterdamOnderzoekers van de School of Engineering aan de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een eenvoudigere manier ontwikkeld om celkeramiek te maken. Onder leiding van Associate Professor Yang Zhengbao van de afdeling Mechanical and Aerospace Engineering, lost deze nieuwe methode de problemen op van traditionele additieve fabricage. De oppervlaktespanning-geassisteerde tweestaps (STATS) verwerkingsstrategie kan de industrieën die keramische materialen gebruiken, zoals energie, elektronica en biomedische sectoren, drastisch veranderen.
De STATS-methode bestaat uit twee belangrijke stappen:
- Het voorbereiden van cel-gebaseerde organische roosters met behulp van additieve productie om basisconfiguraties te vormen.
- Het vullen van deze roosters met een voorloperoplossing die de benodigde bestanddelen bevat.
Het team stond voor een grote uitdaging bij het beheersen van de vorm van de vloeistof in het rooster. Ze maakten gebruik van oppervlaktespanning om de vloeistof op zijn plaats te houden binnen de roosterstructuur. Dit gaf hen precieze controle over de vorm van de vloeistof, wat leidde tot zeer nauwkeurige productieprocessen.
Onderzoekers hebben het ontwerp van cellulaire keramiek verbeterd door zowel theoretische als experimentele studies. Ze bestudeerden nauwgezet de geometrische details van roosters gemaakt van eenheidscellen en kolommen om 3D-vloeistofinterfaces te creëren. Dit resulteerde in de ontwikkeling van cellulaire keramiek met verschillende celafmetingen, vormen, dichtheden, structuren en materialen. Door het scheiden van het maken van ingrediënten en het opbouwen van de structuur werd deze methode sterk programmeerbaar.
De nieuwe methode biedt diverse voordelen. In tegenstelling tot traditionele keramiekproductiemethoden, die moeite hebben om porositeit en mechanische sterkte in balans te houden, creëert de STATS-techniek structuren die over het geheel poreus zijn, maar specifiek op bepaalde punten sterk. Deze verbeterde structuur verhoogt de prestaties van cellulaire piezokeramiek. Onderzoekers hebben een hoog piëzo-elektrisch constant van ongeveer 200 pC N-1 bereikt terwijl ze meer dan 90% algehele porositeit handhaafden, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van huidige methoden.
Geïnspireerd door diatomeeën, eencellige algen die bekend staan om hun complexe silica-gebaseerde celwanden, bootst deze strategie de precisie van de natuur na bij het creëren van ingewikkelde structuren. De mogelijke toepassingen zijn divers, met potentieel gebruik op gebieden zoals:
- Filters
- Sensoren
- Actuatoren
- Robotica
- Batterij-elektroden
- Zonnecellen
- Bacteriedodende apparaten
Deze nieuwe methode sluit aan bij de huidige trends in materiaalkunde, waarbij oppervlakteverwerking wordt gecombineerd met nieuwe productietechnieken. De STATS-strategie kan bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe materiaalsamenstellingen en slimme systemen, wat vooruitgangen in tal van technologische domeinen mogelijk maakt. Prof. Yang benadrukte dat deze methode niet alleen problemen met traditionele technieken oplost, maar ook nieuwe mogelijkheden biedt voor het ontwerpen van complexe keramische structuren. In de toekomst zou deze benadering kunnen leiden tot geavanceerdere en efficiëntere apparaten.
De studie is hier gepubliceerd:
http://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-49345-3en de officiële citatie - inclusief auteurs en tijdschrift - is
Ying Hong, Shiyuan Liu, Xiaodan Yang, Wang Hong, Yao Shan, Biao Wang, Zhuomin Zhang, Xiaodong Yan, Weikang Lin, Xuemu Li, Zehua Peng, Xiaote Xu, Zhengbao Yang. A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-49345-3
Deel dit artikel