新加坡南洋理工大学Nat. Commun.：一锅式微流控制备陶瓷微粒

随着技术领域对微型化的追求，微尺度陶瓷模块成为关键组件，其性能严重依赖于精确的尺寸和复杂的形状。传统的陶瓷微粒制造方法在生产效率和结构复杂性方面存在局限，因此需要创新的制造技术来实现高通量生产。

近期，新加坡南洋理工大学Nam-Joon Cho教授团队提出了一种创新的“一锅式微流体制造”系统，通过结合“榫槽”和滑动组装策略，成功制造出具有复杂形状和精密尺寸的陶瓷微粒，为微型技术组件的规模化生产提供了可行的解决方案。相关研究以“One-pot microfluidic fabrication of micro ceramic particles”为题目发表于期刊《Nature Communications》。

本文要点：

1、本文提出了一种创新的“一锅式微流体制造”系统，结合了“榫槽”和滑动组装两种策略，能够高效地生产多种复杂形状的陶瓷微粒。

2、该系统在生产率和质量上超越了传统方法，通过优化的烧结工艺提高了颗粒的形状保持性和结构强度。

3、研究表明，这些微颗粒在微加工、微型机器人和显微外科工具等领域具有广泛的应用潜力。

4、通过提高固体含量和采用优化的烧结程序，获得的微颗粒展现出优异的密度、强度和韧性，能够在多种材料的基材上进行加工。

5、此外，本文还强调了该系统在微尺度制造中的可扩展性，为满足微型技术组件的严格规格要求提供了有效解决方案。

一锅式微流体制造系统（OPMF）相较于传统方法具有以下优势：

1、显著提高生产率：OPMF系统的生产速率提高了两个数量级，能够实现高通量的陶瓷微粒制造。

2、复杂形状的制造能力：该系统能够制造多种复杂形状的微颗粒，超越了传统方法在形状复杂性上的限制。

3、精确度提升：通过优化烧结工艺，OPMF系统能够提高微颗粒的形状保持性和结构强度，确保最终产品的高精度。

4、材料多样性：OPMF系统可以使用透明和不透明材料，扩展了微颗粒的应用范围。

5、环保高效：该系统的设计促进了更高效和环保的制造过程，减少了废物和能源消耗。

6、优越的机械性能：通过增加固体含量和采用优化的烧结程序，获得的微颗粒展现出更高的密度、强度和韧性，适用于多种应用。

7、成本效益：OPMF系统的设计简单高效，相较于依赖大型昂贵设备的传统方法，具有更好的成本效益。

综上所述，OPMF系统在微尺度制造中提供了一种可扩展的解决方案，能够满足微型技术组件的严格规格和性能要求。

陶瓷微颗粒在实际应用中面临哪些挑战，如何克服这些挑战？

1、精确的模具设计：通过“榫槽”接合，可以制造出具有复杂形状的微流体通道（MC），从而实现对微颗粒形状的精确控制。这种设计灵感来源于传统的中国木工技艺，确保了MC内壁的精确对齐和相对位置的稳定。

2、优化的烧结工艺：研究者根据导数热重分析（DTG）优化了烧结曲线，以增强微颗粒的形状保持性和结构强度。这种优化的烧结过程有助于在高温下保持颗粒的形状，并减少因体积变化引起的裂纹。

3、高固体含量：通过增加陶瓷纳米颗粒的固体含量，研究者提高了微颗粒的密度和强度，从而确保了其在微加工和显微外科应用中的实用性。

4、流体动力学控制：OPMF系统通过在微流体设备中分区进行前体供给、混合和固化，确保了前体材料的均匀混合和流动，从而提高了颗粒的均匀性和形状精度。

图1.通过“一锅式微流体制造”（OPMF）系统制造齿轮形微粒（MP）。

图2.用于制备不同形状和材料的微粒（MP）的“榫槽”和滑动组装微流体通道（MC）制造策略。

图3.烧结前、烧结中和烧结后微粒（MP）的表征。

图4.截面为正方形、等腰三角形和星形的烧结微粒（MP）的压缩试验。

图5.使用不同材料（SiO2、Al2O3和Si3N4）制成的等腰三角形和星形陶瓷微颗粒（MP）的划痕测试结果。

图6.本研究中获得的微粒（MP）与其他研究报告的微型工具的比较。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53016-8