Innovativ metod revolutionerar keramiktillverkning, förenklar produktion av komplexa cellulära former

StockholmForskare vid Ingenjörskolan vid Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har utvecklat ett enklare sätt att tillverka cellulära keramiska material. Med Associate Professor Yang Zhengbao från institutionen för mekanik och flygteknik i spetsen, har denna nya metod övervunnit utmaningarna med traditionell additiv tillverkning. Den kallas ytspänningsassisterad tvåstegs (STATS) bearbetningsstrategi och kan revolutionera industrier som använder keramiska material, inklusive inom energi, elektronik och biomedicin.

STATS-metoden innefattar två huvudsakliga steg:

• Förberedelse av cellbaserade organiska strukturer med hjälp av additiv tillverkning för att skapa grundläggande konfigurationer.
• Fyllning av dessa strukturer med en precurslösning som innehåller de nödvändiga komponenterna.

Teamet stod inför en stor utmaning med att hantera vätskans form i gallret. De använde sig av ytspänning för att hålla vätskan på plats inom gallerstrukturen. Detta gav dem exakt kontroll över vätskans form, vilket ledde till mycket precisa tillverkningsprocesser.

Forskare förbättrade designen av cellulära keramer genom både teoretiska och experimentella studier. De granskade noggrant de geometriska detaljerna i galler med hjälp av enhetsceller och kolumner för att skapa 3D-vätskebryggor. Detta resulterade i utvecklingen av cellulära keramer med olika cellstorlekar, former, densiteter, strukturer och material. Att separera processen för att skapa ingredienser från att bygga strukturen gjorde metoden mycket programmerbar.

Läs också:

Idag · 02:19

Fruktdiet stärker fladdermössens virala försvar

Den nya processen har flera fördelar. Till skillnad från traditionella metoder för tillverkning av keramik, som har svårt att balansera porositet och mekanisk styrka, skapar STATS-tekniken strukturer som är generellt porösa men starka på specifika områden. Denna förbättrade struktur höjer prestandan hos cellulära piezokeramiker. Forskare har uppnått en hög piezoelektrisk konstant på cirka 200 pC N-1 samtidigt som de bibehåller över 90 % total porositet, vilket är en stor förbättring jämfört med befintliga metoder.

Inspirerad av diatomer, encelliga alger kända för sina intrikata kiseldioxidbaserade cellväggar, imitera denna strategi naturens precision i att skapa komplexa strukturer. Användningsområdena är många och inkluderar potentiella tillämpningar inom:

• Filter
• Sensorer
• Aktuatorer
• Robotik
• Batterielektroder
• Solceller
• Bakteriedödande enheter

Denna nya metod är i linje med nuvarande trender inom materialteknik som förenar ytbearbetning med nya tillverkningstekniker. STATS-strategin kan bidra till att skapa nya materialstrukturer och smarta system, vilket leder till framsteg inom många teknologiska områden. Prof. Yang framhöll att denna metod inte bara löser problem med traditionella tekniker utan också ger nya möjligheter att designa komplexa keramiska strukturer. I framtiden kan detta tillvägagångssätt leda till mer avancerade och effektiva apparater.