陶瓷不再易碎日本取得突破性進展

2025-05-05 | 來源: 大紀元 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

科學界持續探索現有材料，想要從中尋找更多可能性。這次，美國一所大學將日本傳統折紙文化融入現代材料科學中，讓原本的陶瓷材料取得突破性進展，開發出一種在壓力下會彎曲、不會破裂的新型陶瓷結構，有望用於醫療領域上。

陶瓷材料因耐高溫、硬度高、抗壓性強、生物相容性及優異復合特性被廣泛用於醫療、材料科學、器皿、建築、航天等領域上。不過，陶瓷材料易碎，促使科學家積極尋找更多改進方法。

這次，美國休斯敦大學（University of Houston, UH）機械和航空航天研究團隊為了實現這一目標，透過3D打印、三浦折疊（Miura-ori）與柔軟聚合物塗層，將原本易碎的陶瓷轉變成堅韌且靈活的新材料，有望用於醫療義肢、航天和機器人領域。該項研究成果於4月發表在《先進復合材料和混合材料》雜志上。

折紙是一門古老的藝術，能賦予多樣形態並調整其特性，而三浦折疊技術能將紙張等平面物體，以平行四邊形疊縮的方式，讓紙張等平面物體縮小空間，且展開後依然保持平坦，目前廣泛應用於建築、機器人、航空航天和生物醫學工程等工程領域上。

三浦折疊是由日本天體物理學家三浦公亮發明的折法。按該方法折疊後會形成特殊的褶皺；只需沿單一軸線方向拉伸，整個結構即可展開成平行四邊形的“棋盤”，要收攏時則反向一推即可。

由於陶瓷硬又脆的特性，難以透過傳統的高溫鑄造方式做出復雜精細結構，若要進行折紙設計就需其它方法。

該研究團隊讓陶瓷前驅體樹脂、二氧化硅組成原料，並透過3D打印的立體光刻（SLA）技術和紫外線固化，將這些原料制成復雜三浦折疊折紙結構。隨後再均勻塗覆75至100微米（µm）厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）塗層，制成這次實驗用陶瓷材料。這次使用的PDMS本身具有生物相容性強、彈性佳的特性。

研究人員為了測試這項新陶瓷材料的結構強度，先進行靜態與循環壓縮試驗，再透過電腦模擬支援了這次的實驗。結果顯示，模擬與實驗結果基本一致，並凸顯PDMS塗層是如何顯著提升陶瓷的拉伸性、抗壓性和韌性。

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實驗中，他們發現該方法制作的陶瓷材料，大幅提高陶瓷材料的拉伸性、抗壓和韌性。同時觀測到有PDMS塗層的陶瓷結構，受到不同方向的壓力時會出現彎曲，若壓力未超過極限，釋壓後可恢復原狀；沒有PDMS塗層的陶瓷，則容易受到一點壓力就快速出現破裂或斷裂的情況。

靜態壓縮試驗顯示，PDMS塗層陶瓷材料在不同方向的韌性提升幅度不同：X軸（先前最不堅硬方向）增加860%，Y軸增加517%，Z軸增加27%。

實驗人員表示，這次實驗探索三浦折疊是否能改變陶瓷材料的脆性，並觀測彈性塗層是否能改善陶瓷材料出現災難性的故障。而我們得到的答案是肯定的，並發現彈性塗層不僅能提高折紙結構的韌性，還能阻止陶瓷材料的裂紋擴展。這些發現有望在未來應用到義肢和其它醫療領域上。

（示意圖）

休斯敦大學工程助理教授馬克蘇德‧拉赫曼（Maksud Rahman）對該校的新聞室表示，“陶瓷材料在適當的條件下具有生物相容性、輕量和耐用性，但它的失效往往是災難性的。我們的目標是以更安全、有效的方式減緩其災難性失效。”

休斯敦大學工程的博士後研究員穆罕默德‧沙傑杜爾‧霍克‧塔庫爾（Md Shajedul Hoque Thakur）則表示，“折紙幾何形狀賦予陶瓷機械適應性，聚合物塗層賦予陶瓷具有足夠的柔韌性，防止它快速出現斷裂。”

拉赫曼教授強調，“折紙不僅是一門藝術，更是一種強大的設計工具，可以幫助我們應對生物醫學和工程領域上的挑戰。這項研究證明折疊模式，是如何賦予脆弱材料新功能。”