陶瓷结构中充满微小的宏观孔洞在工业和生物医学产品中扮演着重要的角色，但他们也臭名昭著的难以制造。
一位康奈尔大学的研究人员可能找到了答案，因为她正在开发的一种制造技术将多孔陶瓷材料的精确度提高到了一个新的水平，为其应用开辟了一个新的可能性领域。
这项技术是由机械和航空航天工程助理教授Sadaf Sobhani发明的，它结合了计算建模、多孔结构设计和3D打印来精确定制多孔网络。这项技术发表在《高温度应用的定制大孔陶瓷结构的添加剂制造》一文中，并在8月份的《先进工程材料》上发表。
多孔陶瓷用于生物反应器、绝缘体、汽车发动机和合成骨架，因为它们的机械强度以及抗热、耐腐蚀等性能。通过控制陶瓷复杂孔隙网络的几何形状，工程师可以获得不同的性能。但大多数制造技术，如成型和泡沫处理，都很难定制这些几何形状。
数字光处理平版印刷是一种3D打印技术，与其他陶瓷3D打印技术不同，这种技术在构建平台上沉积材料，将光模式投射到可光固化的树脂层上。然后，树脂在暴露在光线下的地方固化，保留投射在每一层上的图案。
Sobhani使用了平版印刷技术，并添加了陶瓷树脂。一旦树脂经过蓝光处理，陶瓷颗粒就会悬浮在固化的树脂上。然后将打印出来的物体放入一系列的熔炉中，燃烧掉树脂并固化剩余的陶瓷。
索布哈尼说:“这项技术能让你做出用模具或其他传统陶瓷制造方法做不到的东西。”
为了验证这一概念，Sobhani制作了两个不同孔隙几何形状的氧化铝多孔陶瓷样品。然后，她和她的同事在燃烧实验中研究了这些样品，并评估了多孔结构内部的火焰稳定性。这两种样品均由相同的树脂-陶瓷混合物制成，由于其独特的多孔结构设计，产生了截然不同的结果。
如此精密地制造定制陶瓷的能力可以决定材料的用途，但这也意味着印刷技术必须完善。
索布哈尼说:“如果你的打印机或热处理方法有一点偏差，导致你非常精确的几何形状出现偏差，那么最终产品的性能就会与原先设计的不同。”“因此，我接下来的部分研究将集中在几何精度以及使用x射线诊断来量化这些错误并减轻它们。”
Sobhani未来的研究还将集中于识别能够充分利用这种制造技术的新应用。她已经为自己的实验室获得了一台高密度陶瓷光刻打印机，这是校园里的第一台。她说，她期待着与那些在从能源、热管理系统到生物医学应用等各个领域都有创新想法的研究人员合作。
她说:“以前，如果你想建造这种非常复杂的多孔基质，它只能在某个方向上分级，而不能在另一个方向上分级，或者在导热性方面有某种功能，这些都只能作为想法。”“但现在有了3D打印技术，出现了一个新的可能性领域，问题就变成了，‘我们应该做什么?’”
这项研究的合作者包括斯坦福大学机械工程教授Matthias Ihme和制造公司Lithoz America。这项研究得到了美国宇航局和国家科学基金会的支持。
Syl Kacapyr是工程学院的公共关系和内容经理。
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