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“油墨”准备好，分级多孔陶瓷开始打印
多孔陶瓷具有良好的热性能、较强的机械强度以及良好的稳定性，耐高温高压，抗酸碱和有机介质腐蚀，在催化、过滤、热交换、生物医学支架、能量存储等领域都展现了良好的应用潜能。大量的多孔陶瓷制备方法也被报道，其中比较常见的包括模板法、溶胶凝胶法、起泡法等，有部分已经用于工业生产。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的André R. Studart课题组在Advanced Materials杂志上发表文章，报道了通过3D打印的方法实现了分级高孔隙率陶瓷的制备。研究者将3D打印技术和乳液/泡沫模板法相结合，通过3D打印技术控制毫米级的层次孔结构，而乳液/泡沫模板法可以调节微米级的孔尺寸。通过两种方法的结合方法，可以批量生产孔径大小可调的分层多孔陶瓷，所得材料不但可以实现高孔隙率，还具有优异的机械强度。
分级多孔陶瓷的加工原理图。图片来源：Adv. Mater.
理论很简单，我们来看看研究者是怎样实现的。首先，3D打印需要“油墨”，他们的油墨是由不同浓度的氧化铝颗粒、丙酸、聚乙烯醇（PVA）等组成的乳液，其中丙酸和聚乙烯醇起到表面改性和粘合剂的作用。油墨的粘度随油相和颗粒含量的增加而增大，印刷时的液滴也会相应减小。通过改变颗粒浓度、油相含量、聚乙烯醇用量和pH值，可以调节多孔陶瓷的孔隙大小。
其次，起泡与烧结。研究者使用家用搅拌器（Braun，350 W）对乳液进行搅拌发泡，好奇的小希搜了一下Braun品牌，某东和某宝上有不少此品牌的电动剃须刀，囧~~。言归正传，发泡之后的乳液就可以用来打印三维陶瓷结构了，再经过1600摄氏度的煅烧，材料加工完毕。
通过SEM观察，材料共有三种不同尺度大小的孔隙，分别由3D打印时的排列、油滴大小和聚乙烯醇固化所形成。材料的孔隙率可达到93%。值得注意的是，改性颗粒和聚乙烯醇可以起到支撑作用，因此，多孔材料尽管孔隙率很大，但机械强度也非常高。
分级多孔陶瓷打印过程及电镜照片。图片来源：Adv. Mater.
3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物，尤其擅长复杂结构的制作。随着3D打印技术的不断发展，打印的东西也开始从粗犷转向了精细化，从宏观结构进军微观世界。虽然这项工作的重点是印刷氧化铝分级多孔陶瓷材料，但该加工方法有望应用于更广泛的陶瓷制备技术中，以满足生物医学、能源和催化等各个领域的应用要求。
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603390/abstract
3D Printing of Emulsions and Foams into Hierarchical Porous Ceramics
Adv. Mater., 2016, 28, 9993-9999, DOI: 10.1002/adma.201603390
（本文由小希供稿）