近年来，3D打印技术在高性能膜材料制备中的应用备受关注。凭借在复杂结构精密构筑上的优势，陶瓷3D打印技术在提升陶瓷膜分离效率和拓展陶瓷膜应用场景等方面展现出良好的前景。范益群教授团队在《Advanced Membranes》期刊发表了题为“3D printing for precision construction of ceramic membranes: Current status, challenges, and prospects”的综述，从陶瓷3D打印技术、打印用材料、陶瓷膜3D打印进展等方面展开了讨论，分析了不同陶瓷3D打印技术的特点，系统地介绍了3D打印技术在陶瓷膜孔结构精密构筑、表面图案化等方面的应用，梳理了陶瓷膜3D打印面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望。

1.背景介绍

通过结构的优化设计，可以显著提升陶瓷膜的性能，拓展其在水资源、能源、环境和生命健康等领域的应用范围。增材制造（俗称：3D打印技术）已经成为制造复杂结构陶瓷的有效工具，展现了广阔的应用前景。与传统制造方法不同，3D打印作为一种自下而上的过程，它提供了更大的设计灵活性和构筑复杂结构的能力，且无需依赖模具。在制备高性能陶瓷膜材料方面，3D打印展现出了显著的优势。根据3D打印工艺的不同，所用的原料也有所不同。可用于陶瓷膜制备的3D打印工艺与原料之间的关系如图1所示。

图1 3D打印工艺与原料之间的关系

2.陶瓷3D打印在陶瓷膜中研究进展

根据微结构的不同，陶瓷膜通常可分为致密陶瓷膜与多孔陶瓷膜两种。文章分别介绍了3D打印技术在致密陶瓷膜和多孔陶瓷膜制备及性能强化方面的研究进展。

2.1 3D打印致密陶瓷膜

致密的质子-电子混合导体陶瓷膜具有良好的氢选择性渗透性，但在实际应用中，它们仍然面临氢渗透性低和化学稳定性差的问题。通过3D打印技术优化陶瓷膜的结构，有望减少陶瓷膜的厚度，增加装填密度，并提高其在酸性和还原环境中的气体渗透率及化学稳定性。借助陶瓷3D打印技术在复杂结构构筑中的优势，通过改变3D打印陶瓷电解质膜的构型，增大传质接触面积，使陶瓷电解质膜在固体氧化物燃料电池（SOFCs）和固体氧化物电解电池（SOECs）中的性能得到了显著提升。采用3D打印制备的8YSZ电解质膜的宏观及微观形貌如图2所示。

图2 3D打印8YSZ电解质膜形貌

2.2 3D打印多孔陶瓷膜

得益于3D打印逐点、逐线或逐层成型方式的灵活性，陶瓷3D打印技术在多孔、空心等复杂结构的精密构筑方面具有显著优势。在传统陶瓷膜制备方法中，陶瓷膜孔结构形成依赖于陶瓷颗粒堆积产生的孔隙。而在陶瓷3D打印过程中，还可以通过3D打印直接构筑梯度孔道和多级孔结构，可以显著减小传质阻力，提升陶瓷膜的渗透性能。此外，还可以将液相沉积、浸涂等方法与3D打印结合（图3），从而提升膜材料的渗透性能和分离性能。

图3 3D打印陶瓷膜制备及其油水分离示意图

2.3 陶瓷膜表面图案化

3D打印技术在陶瓷膜性能强化方面的应用主要体现在：一、通过构型和微结构的设计来提高陶瓷膜的表面积和强度；二、通过表面图案化提升陶瓷膜的抗污染性能。通过构建特殊图案的膜表面，可以在不改变主要区域流速的情况下，强化膜表面微区湍流的形成，从而提高膜表面的抗污染性能（图4）。

图4 3D打印制备具有图案化表面的陶瓷膜的及其抗污染示意图

3. 3D打印陶瓷膜的前景

随着陶瓷3D打印技术的不断发展，其打印精度、速度和尺幅等性能都在不断提升，同时能够适应的陶瓷材料种类和结构也在不断丰富。然而，在陶瓷膜领域应用3D打印技术仍处于早期阶段，面临着打印设备、原料、经济性和环保等方面的挑战。开发新的3D打印技术、专用原材料以及与其他技术进行耦合，成为进一步提高3D打印陶瓷膜性能的重要途径。例如：陶瓷4D打印进一步增强了陶瓷3D打印在复杂结构精确设计和构建方面的灵活性，为新型陶瓷膜材料的设计提供了新思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2023.100068

来源：Advanced Membranes