多功能陶瓷及其制造方法与应用
阅读说明：本技术 多功能陶瓷及其制造方法与应用 (Multifunctional ceramic and its production method and application ) 是由 法布里齐亚·盖佐 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多功能陶瓷及其制造方法与应用。由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；所述核心材料可以是任何具有胞状结构的材料,具有任意形状和尺寸的胞状结构,和不同胞壁厚度的胞状结构,所制得的多功能陶瓷是具有周期性胞状结构的陶瓷体,单胞元周期性地排列；所述核心材料也可以是没有周期性胞的材料；所述多功能陶瓷的特性是用来创造它的原始材料的特性组合,原始材料根据最终材料所需的特定性能来考虑选择。本发明还公开了一种多功能陶瓷的制备方法,与传统的制备工艺相比,包括由核心材料和陶瓷体材料选择决定的额外步骤。可制出性能增强材料,也可制成具有额外功能的新材料。本发明还公开了多功能陶瓷的应用。(The invention discloses a multifunctional ceramic and a manufacturing method and application thereof. Is composed of a traditional ceramic material and a core material; the core material can be any material with a cell structure, the cell structure with any shape and size and the cell structure with different cell wall thicknesses, and the prepared multifunctional ceramic is a ceramic body with a periodic cell structure, and the cell elements are arranged periodically; the core material may also be a material without periodic cells; the properties of the multifunctional ceramic are used to create a combination of properties of its starting materials, which are selected with consideration for the specific properties desired in the final material. The invention also discloses a preparation method of the multifunctional ceramic, which comprises an additional step determined by the selection of the core material and the ceramic body material compared with the traditional preparation process. Can be made into performance-enhancing materials, and can also be made into new materials with additional functions. The invention also discloses application of the multifunctional ceramic.)
技术领域
本发明涉及一种陶瓷及其制造方法和应用，属于陶瓷材料领域以及多功能材料领域，特别涉及一种多功能陶瓷及其制造方法和应用。
背景技术
技术1高冲击强度材料技术与碎片限制
陶瓷材料由于其优异的压缩和冲击强度，广泛应用于弹道/冲击和一般高速冲击防护材料和系统，特别是在防护技术领域，包括头盔、弹道夹克的产品，用于空间飞行器/卫星应用/ 航空应用/海洋应用等的装甲和材料，可达到极端冲击条件或压缩和高温。在这种情况下，通常使用增强陶瓷和陶瓷层状系统(Ep0287918a1，US2009/0114083)。
在弹道防护系统中，理想的目标是获得单位体积重量尽可能低的材料，能阻止子弹及其碎片的穿透。在这一领域有几种解决方案，通常这些方案不是由一种单一的材料来实现，而是由一个分层的材料系统来实现。缺点在于目前的解决方案是陶瓷材料的层状系统，通常会导致很高的重量，替代方案有高强度纤维增强复合材料，但它们的弹道性能受到弹丸撞击速度的限制，因此这些材料仍需与重陶瓷结合使用。目前需要高冲击强度且更轻的材料。
技术2超材料技术(MTM)
超材料是具有周期性微结构的人工工程材料，具有操纵入射电磁波的能力。人工周期结构实际上是印刷在电路板材料上的导电微结构(在某些频率下是共振的)的排列。它们的设计是为了达到标准材料不可能达到的介电常数和磁导率常数。过滤器、吸收器、天线、透镜、天线罩是大量的应用，它们可以从MTMS集成到现有材料和部件中获益。自从最初证明从透镜到天线的器件的电磁特性可能增强以来，从微波频率到GHz和THz频率的进展，也朝着具有真正结构特性的器件的新概念发展(WO2012/1520022A1)。电磁器件的MTM中使用的相同原理已经被提出用于声学应用。其缺点在于这些专利和大多数MTM设想的应用仍然受到很大的限制，因为缺乏实用的方法和制造方法在真实的结构材料中实现。目前，超材料仍然是在材料片或导电粒子或沉积在平面材料表面的材料上切割出形状。这些导电结构是通过在像最新的太赫兹器件(US9030286B2)的基底上沉积纳米颗粒，或传统的光刻方法制成的。本发明的同一作者在WO2012/152022A1中首次尝试制造具有结构强度的实际MTM装置或材料，然而在所有这些先前的专利中，尚未提出制造真实的、同时也是陶瓷超材料的解决方案。
技术3低温共烧陶瓷技术(LTCC)
像CN108218406A和其他LTCC材料的发明清楚地表明了这项技术对于建造天线、雷达、天线罩、LED等设备的重要性。这些专利主要集中在陶瓷粉体的混合和努力改变其组成的百分比，以降低介电常数和损耗(或相反)。这些专利显示了这一领域的局限性，因为在机械性能方面，其他性能可能更好的陶瓷混合物无法使用，大多数陶瓷都有很高的介电常数，因为它们代表了一种极为致密的介质，波可以通过这种介质。为此，科学家花费了大量的精力来改变陶瓷的成分。
低温共烧陶瓷(LTCC)技术是制造通信设备、便携式电子设备等最常见陶瓷材料的主要技术。该技术及它生产的材料可提供以下优点：
(1)电子元件的小型化。
在无线通信、卫星通信等移动通信中，使用频率在MHz至300GHz之间的微波的通信系统的最新发展，使其电子元件不断小型化。随着性能、耐用性和结构强度的提高，对轻量化和小型设备的需求也在增加。LTCC技术适用于制造超高频小型器件，只有高Q值(品质因数)的材料才能用，所以陶瓷是目前唯一的选择。这些元件的大小取决于所用电磁波的频率。目前的应用，在这一领域取得的进展表明，对于频率≥1～2GHz的器件，介电常数在20～40范围内的材料现在被广泛应用于天线等多种器件，通常用于这些应用的滤波器等材料由高频的低温烧结介电陶瓷制成。
(2)允许层压。
因为这个原因，与基于PCB的封装相比，可以获得更高的电路集成度，并且可以通过使用例如空腔方法在模块中安装有源元件来实现多功能模块。通过流延可以获得陶瓷薄膜。
(3)烧结温度低。
LTCC最基本的特点是允许制造一种低介电陶瓷成分，然后形成一种(与所有其他可用陶瓷相比)具有相对较低介电常数、低损耗和高Q值的基底。一般而言，这种成分包括50-90 重量％的硼硅酸盐基玻璃成分和10-50重量％的填料，例如二氧化硅。在这里，玻璃在700℃以下软化，在850℃左右形成液体，并在850至950℃下提供致密化，在此LTCC最好烧结。该填料提高了烧结陶瓷的机械强度。
(4)环保。
制造陶瓷的较低温度需要较少的能源消耗，因此减少温室气体的产生。
用于高频应用的LTCC技术具有许多优点，但其发展需要一些重大突破。主要问题涉及对材料的严格要求和可供选择的有限性。该领域的研究一直受到硼硅酸盐基玻璃成分(可能还有少数其它硼硅酸盐基玻璃成分)的限制。
技术4绝缘材料及材料系统之技术
隔热材料：为了限制两种环境之间的热传递，需要使用绝缘体材料。在温度不允许应用聚合物基材料的应用中，陶瓷及其泡沫是解决方案之一。一般来说，在这一领域，可能性受到可使用材料和相关成本的小范围选择以及达到一定高冲击和压缩强度的需要的限制。
电气绝缘材料：如果工作温度很高，需要低损耗，只可以用陶瓷材料。在这里，LTCC仍然可以为许多应用提供服务。
辐照绝缘材料：在核电厂中，这些材料是最基本的需要。在这些应用中需要极高密度的陶瓷。几十年来，这一领域的进展一直很稳定，因为能够满足要求的材料选择极为有限。
技术5空气和水净化过滤器的技术，包括催化陶瓷材料
鉴于人们对环境污染的日益关注，空气和水净化系统如今得到了深入的研究。净水过滤器通常由活性炭过滤器制成，或者取决于应用-陶瓷复合材料/陶瓷多孔材料与填料，也例如非常常见的是使用银纳米颗粒或二氧化钛。近年来，活性炭也被用于去除室内空气中的有机分子。为了提高这些材料的吸收性能，人们付出了很大的努力。对于这一领域，研究正在需要朝着超轻量、多功能部件和耐高温材料的方向发展。
技术6用于医疗的陶瓷技术，也称为生物陶瓷
这一领域在过去几十年中不断发展，特别是在生物相容性材料领域取得了进展，如组织细胞相容性高、免疫系统耐受的材料，以及表现出高抵抗力、抗压强度和耐久性的材料，比如陶瓷和其他一些材料比如钛。生物陶瓷是一类重要的生物材料，主要用于外科植入。在这一领域，人们一直在不断努力，解决方案正朝着具有综合功能的材料发展，如药物输送、矿物生长潜力、细胞生长潜力、让血液流过和毛细血管生长的能力等。需要更多的材料选择。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种多功能陶瓷及其制备方法和应用。本发明提出的原理和制造方法可制出现有的方案(材料和材料系统)性能增强的材料，也可制成具有额外功能的新材料。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种多功能陶瓷Ⅰ，由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；
所述传统陶瓷材料是公知的陶瓷材料，包括但不限于低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和超高温共烧陶瓷；
所述核心材料具有周期性胞状结构的材料，所述胞状结构具有形状，尺寸，和胞壁厚度，所制得的多功能陶瓷是具有周期性胞状结构的陶瓷体，单胞元周期性地排列；所述形状包括但不限于蜂窝单元、圆形单元或专门设计的，所述周期性胞状结构沿厚度和/或沿平面恒定或可变；所述尺寸为周期性单元胞状的尺寸，为0.2～50mm；所述胞壁厚度为0.5～10mm，若制作薄膜，厚度可以小到25～200μm。
更进一步地，所述单元胞尺寸最小可到0.2mm～0.3mm，如金属可达到0.5～0.6mm。
更进一步地，所述核心材料厚度一般有3、3.5、4、5、6、10、15、20和25mm的各种标准厚度；最大商业厚度可达100mm；最终形成的陶瓷材料中核心材料的厚度可以通过单位核心材料的层叠叠加；可用的最小厚度也有：0.50mm、0.70mm、1.00mm。可定制这些范围之间的其他厚度。
另，我们可以3D打印核心材料，因此不局限于使用这些商业产品，因此不局限于市场上核心材料的厚度和尺寸，因为3D打印技术可以让用户自定义自己的核心材料及其尺寸。
所述多功能陶瓷的特性是用来创造它的原始材料的特性组合，原始材料根据最终材料所需的特定性能来考虑选择。
进一步地，所述核心材料包括但不限于聚合物核、聚合物基增强复合材料、纸核、纸增强核、金属核、金属基复合材料、纤维增强复合材料，包括两组多功能陶瓷：周期性多孔多功能陶瓷(A1)具有集成周期性孔隙率的陶瓷，其中胞状结构以精确的周期性方式有序排列，核心单胞壁为空；以及周期性非多孔多功能陶瓷(B1)，具有周期性致密胞状结构的陶瓷，核心单胞壁不为空。
所述聚合物核包括但不限于热固性或热塑性聚合物及衍生复合材料：聚丙烯核、聚甲基丙烯酸甲酯、聚合物基复合材料、带任何填料或增强体的聚合物基复合材料、石墨烯核、非晶碳核；所述热固性聚合物包括但不限于聚氨酯、聚酰亚胺，氰酸盐和环氧树脂；所述热塑性聚合物包括但不限于丙烯酸(PMMA)、尼龙、PC、PE、PP、ABS；所述金属核包括但不限于银、铜、金。
进一步地，所述核心材料是在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料，得到的陶瓷为多孔多功能陶瓷材料，得到或以精确的周期性方式排列，核心呈现以内部孔隙，是空的；所述核心材料是在烧结陶瓷体时不燃烧、不熔化或不发生任何变化的材料，得到的陶瓷为非多孔多功能陶瓷材料，得到具有周期性致密的核心结构，核心不是空的。
本发明提供一种多功能陶瓷Ⅱ，由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；
所述传统陶瓷材料是公知的陶瓷材料，包括但不限于低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和超高温共烧陶瓷；
所述核心材料是非周期性胞状结构的材料；所述形状使用具有随机分布的纤维或开孔的核心；所述核心材料包括但不限于金属核、金属泡沫、金属基复合材料、合金堆芯材料、聚合泡沫、无规纤维泡沫、陶瓷增强聚合物，包括两组多功能陶瓷：非周期性多孔多功能陶瓷(A2)，核心为空；非周期性非多孔多功能陶瓷(B2)，核心不为空；
所述多功能陶瓷的特性是用来创造它的原始材料的特性组合，原始材料根据最终材料所需的特定性能来考虑选择。
所述金属核包括但不限于银、铜、金；所述核心材料还可以是碳化钛、钛、硝酸锆。
进一步地，所述核心材料是在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料，得到的陶瓷为多孔多功能陶瓷材料，得到或以非周期性方式排列核心结构，核心呈现以内部孔隙，是空的；所述核心材料是在烧结陶瓷体时不燃烧、不熔化或不发生任何变化的材料，得到的陶瓷为非多孔多功能陶瓷材料，得到具有非周期性致密的核心结构，核心不是空的。
所述核心材料可以是任何材料，可以有任何形状和大小的单元，也可以进行3D打印，根据最终材料所需的特定性能来考虑选择，包括但不限于聚合物核、聚合物基增强复合材料、纸核、纸增强核、金属核、金属泡沫、金属基复合材料、合金堆芯材料、聚合泡沫、无规纤维泡沫、纤维增强复合材料、陶瓷材料、陶瓷增强聚合物、碳化钛、钛、硝酸锆、石墨复合材料和碳纤维复合材料；所述形状包括但不限于蜂窝单元、圆形单元或专门设计的，也可以使用具有随机分布的纤维或开孔的核心；
所述聚合物核包括但不限于热固性或热塑性聚合物及衍生复合材料：聚丙烯核、聚甲基丙烯酸甲酯、聚合物基复合材料、带任何填料或增强体的聚合物基复合材料、石墨烯核、非晶碳核；
所述热固性聚合物包括但不限于聚氨酯、聚酰亚胺，氰酸盐和环氧树脂；所述热塑性聚合物包括但不限于丙烯酸(PMMA)、尼龙、PC、PE、PP、ABS；
所述金属核包括但不限于铝，铜，银，金；
所述周期性胞状结构沿厚度和/或沿平面恒定或可变。
所述特性包括但不限于机械、冲击、超轻量、电磁、绝缘特性、压缩强度硬度、介电特性、导热性、导电性、生物相容性、生物降解性、零毒性、生态友好性，且允许集成其他功能；所述其他功能包括但不限于数据收集、智能、传感、药物传递能力。
所述最终材料所需的特定性能可以被设计成具有特定的高度改进的性能和/或附加功能，包括但不限于电磁功能/电气功能/改进的冲击功能/改进的介电常数/超轻量等，以及这些特性的组合。
材料的代表性单胞元的尺寸小于施加到材料上的特定扰动/刺激的大小；所述扰动/刺激包括但不限于压力、电磁刺激、声学、冲击、冲击、绝缘性能。
换言之，以上所述新型多功能陶瓷材料是任何具有特定工程内部结构的陶瓷材料。它包括两类主要的多功能陶瓷：第1组，多孔多功能陶瓷A，核心材料是在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料，得到具有集成工程(周期或非周期)孔隙率的陶瓷；核心结构或以精确的周期性方式(A1)排列，或以非周期性方式(A2)排列，对于这两种情况，核心呈现以内部孔隙，是空的；以及第2组，非多孔多功能陶瓷B，核心材料是在烧结陶瓷体时不燃烧、不熔化或不发生任何变化的材料，得到具有周期性(B1)或非周期性(B2)致密核心结构的陶瓷，核心不是空的。
核心材料是在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料：如果选择的原陶瓷成分是低温共烧陶瓷(LTCC)，烧结温度低于1000℃，则核心材料选择聚合物基材料；如果LTCC陶瓷体的烧结温度在1000℃左右，还可以使用烧结温度低于1000℃的金属芯、石墨和碳纤维复合材料；如果选择的原陶瓷成分是高温共烧陶瓷(HTCC)，烧结温度高于1000℃，约1600℃左右，则核心材料选择聚合物基材料、一些熔点低于陶瓷成分烧结温度的金属以及陶瓷增强材料聚合物，也可以是一种LTCC陶瓷；如果选择的原陶瓷成分是超高温共烧温度陶瓷(UHTCC)，烧结温度高于1600℃，约2000℃左右，则核心材料选择聚合物基材料、金属以及陶瓷增强聚合物。
核心材料是在烧结陶瓷体时不燃烧、不熔化或不发生任何变化的材料：如果选择的原陶瓷成分是低温共烧陶瓷(LTCC)，烧结温度低于1000℃，则核心材料选择金属、合金、金属基复合材料、高温陶瓷；如果LTCC陶瓷体的烧结温度在在550℃到800℃之间，还可以使用石墨和碳纤维复合材料、金属纤维增强聚合物复合材料；如果选择的原陶瓷成分是高温共烧陶瓷(HTCC)，烧结温度高于1000℃，约1600℃左右，则核心材料选择金属、高温陶瓷；如果选择的原陶瓷成分是超高温共烧温度陶瓷(UHTCC)，则核心材料选择碳化钛、钛、硝酸锆等超高温陶瓷。
核心材料可以是设计者从已经存在的材料和产品中选择的任何一种材料，或者是专为所需的材料制造的。用于制备第1组陶瓷的核心材料包括任何具有周期结构的核心材料，如蜂窝芯、圆形芯材、矩形芯材等，以及非周期结构的芯材；用于制备第2组陶瓷的核心材料包括但不限于金属泡沫、聚合物泡沫、无规纤维泡沫等。
遵循本发明的指导原则，将这些核心材料集成到初始陶瓷体中可得到两组多功能陶瓷：多孔多功能陶瓷，制造过程结束时的陶瓷材料呈现多孔核心；非多孔多功能陶瓷，呈现致密核心。
本发明提供一种多功能陶瓷，为多层陶瓷材料系统，所述陶瓷材料可以是如上任一项所述的材料，陶瓷材料组合层叠且层数在两层及以上；每一层的核心材料是相同的；层的最小厚度目前可用技术或未来技术进步所能制造的核心材的最小厚度。形成陶瓷层的技术是流延，目前可达到的最小厚度小于200微米。根据初始浆液、所用设备和方法，最终胶带可小至20-50 微米。
具体的，每一层可以是周期性多孔多功能陶瓷材料或周期性非多孔多功能陶瓷材料或非周期性多孔多功能陶瓷材料或非周期性非多孔多功能陶瓷材料。
本发明提供一种多功能陶瓷，为多层陶瓷材料系统，所述陶瓷材料可以是如上任一项所述的材料和/或传统陶瓷材料，陶瓷材料组合层叠且层数在两层及以上；每一层的核心材料是不同的；层的最小厚度是目前可用技术或未来技术进步所能制造的核心材的最小厚度。形成陶瓷层的技术是流延，目前可达到的最小厚度小于200微米。根据初始浆液、所用设备和方法，最终胶带可小至20-50微米。
具体的，多层陶瓷材料系统第一层可以是传统陶瓷材料或周期性多孔多功能陶瓷材料或周期性非多孔多功能陶瓷材料或非周期性多孔多功能陶瓷材料或非周期性非多孔多功能陶瓷材料，第二层可以是传统陶瓷材料或周期性多孔多功能陶瓷材料或周期性非多孔多功能陶瓷材料或非周期性多孔多功能陶瓷材料或非周期性非多孔多功能陶瓷材料，第三层可以是传统陶瓷材料或周期性多孔多功能陶瓷材料或周期性非多孔多功能陶瓷材料或非周期性多孔多功能陶瓷材料或非周期性非多孔多功能陶瓷材料。
本发明提供一种多功能陶瓷的制备方法，在传统的制备工艺陶瓷浆料的混合与烧结外，包括以下额外的步骤：将核心材料集成到制备的初始陶瓷浆料中；以及烧结前陶瓷浆料进行压缩；烧结过程中除去陶瓷浆中的气体、发泡剂、分散剂和添加剂；由核心材料和陶瓷体材料选择决定的调整或改变烧结过程的温度斜坡的附加步骤。
所述分散剂为：低分子量分散剂：焦磷酸钠、柠檬酸铵、柠檬酸钠、酒石酸钠、琥珀酸钠、三油酸甘油酯、磷酸酯，和/或大分子量分散剂：聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚马来酸(HPMA)、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、聚砜钠、聚乙烯亚胺(PEI)、勐哈登鱼油、无规共聚物梳状聚合物；
所述粘合剂为聚乙烯醇聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯醇缩甲醛(PVF)、聚环氧乙烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、改性淀粉、羧甲基纤维素产品、糊精蜡乳液、聚乙二醇、木质素磺酸盐、甲基纤维素、石蜡、聚丙烯酸酯和/或Binder陶瓷加工用粘结剂；
所述添加剂为表面活性剂/发泡剂/泡沫稳定剂；表面活性剂/发泡剂可以是天然皂或合成乳化剂，天然肥皂是脂肪酸或松香酸皂，脂肪酸皂包括油酸、棕榈酸、硬脂酸的碱金属盐；发泡剂可含有选自尿素、淀粉、碳粉、硅酸钠、碳酸钠Na2CO3、碳酸钾K2CO3、碳化硅SiC、碳酸钙CaCO3、碳酸镁、氧化锰MNO2、(NH4)2CO3、硫酸盐和碳酸盐衍生物质中一种或多种成分的物质；发泡剂也可以是粉煤灰、炭黑空心颗粒、铅锌矿尾矿等废弃物料；泡沫稳定剂是从二氧化锰、氧化锌中选择的，或者可以由硼酸、铬绿和氧化钛组成，或使用了硼酸和氧化钛的成分。
进一步地，所述除去陶瓷浆中形成的所有气体、发泡剂、分散剂和添加剂，该烧结温度通常设置为高于所有添加剂的燃烧温度、发泡剂和其他添加到陶瓷混合物中的附加化学品的燃烧温度。
进一步地，所述由核心材料和陶瓷体材料选择决定的调整或改变烧结过程的温度斜坡的附加步骤具体如下：
A)如果选择的材料是为了获得本发明的的多孔多功能陶瓷A(烧结过程中核心材料燃烧、熔化)，则附加步骤是计划用于燃烧核心材料的温度斜坡；
B)如果选择的材料是为了获得本发明的的非多孔多功能陶瓷B(烧结过程中核心材料不燃烧)，则陶瓷材料的烧结将遵循陶瓷体的传统烧结。在这种情况下，实际上，核心不会受到烧结陶瓷体所需的最高温度的影响。
具体如本发明的
具体实施方式
所述。
本发明提供一种多功能陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
1)所需多功能陶瓷材料性能的建设(设计、计算、评估)；
2)选择陶瓷粉末成分及其核心材料，包括但不限于核心材料类型、厚度、单元尺寸、单元形状、单元壁厚；
3)以传统的方式制备陶瓷浆料，包括混合几种纳米粉体，添加颗粒分散剂、发泡剂、添加剂等，形成均匀的陶瓷浆料；
4)将核心材料整合到陶瓷浆料中；
5)静置，固结陶瓷浆料；
6)对干燥的陶瓷浆料进行压缩；
7)多功能陶瓷材料烧结：
去除陶瓷料中的气体；去除由于在其成分中添加了有助于不同陶瓷颗粒均匀分布的发泡剂和/或分散剂和/或添加剂，或由于曾有助于在陶瓷体内形成额外的微孔，从而导致具有额外微孔的添加剂；去除添加剂产生的气体；该烧结温度通常设置为高于所有添加剂的燃烧温度、发泡剂和其他添加到陶瓷混合物中的附加化学品的燃烧温度；
烧结的第二步可以依靠于核心材料(单胞形、尺寸、壁厚、材料等)以及新型多功能陶瓷材料的最终性能要求。
具体如下：周期性多孔多功能陶瓷A1，具有集成周期性孔隙率的陶瓷，其中胞状结构以精确的周期性方式有序排列，核心单胞壁为空；以及周期性非多孔多功能陶瓷B1，具有周期性致密胞状结构的陶瓷，核心单胞壁不为空；非周期性多孔多功能陶瓷A2，核心单胞壁为空；非周期性非多孔多功能陶瓷B2，核心单胞壁不为空。核心材料的熔化温度和燃烧温度特性可以使用合适的上升温度的速率来燃烧核心材并慢慢地消除产生的气体。如果目的是不烧核心，为了保持核心，应仔细考虑陶瓷材料的烧结工艺。
进一步地，步骤1)中，所述多功能陶瓷材料性能的建设可以利用商用数值模拟软件进行，包括但不限于Ansys、Comsol、HFSS中的一个或多个。
进一步地，步骤2)中，必须选择一种能完全融入陶瓷浆料的核心材料，即具有较短厚度的核心材料。
进一步地，步骤6)中，所述压缩的压力可以是1-5兆帕，或更大的压力。
进一步地，步骤6)中，还包括所述陶瓷浆料进行压缩需选择使核心材料变形的原则，需要一个能保持核心材料变形状态和料浆形状的模具，最终材料在厚度和/或平面上的周期性将不均匀。
进一步地，步骤7)中，烧结的第二步，
如果核心材料是燃烧温度高于第一烧结步骤中所用的温度，使用第二个坡道来燃烧核心，所得为周期性(A1)或非周期性(A2)的多孔多功能陶瓷A，具有集成周期性或非周期性的孔隙率；所述周期性多孔多功能陶瓷A1的核心材料有周期性胞状结构，胞状结构以精确的周期性方式有序排列，核心单胞壁为空；所述非周期性多孔多功能陶瓷A2的核心材料没有周期性胞状结构，核心材料烧结后为空；
如果核心材料是在陶瓷的最终烧结温度下不会熔化，在整个材料进行标准烧结时保持其结构，这将导致一种周期性(B1)或非周期性(B2)的实心非多孔多功能陶瓷材料B；所述周期性非多孔多功能陶瓷B1具有周期性致密单胞状结构的核心，核心单胞壁不为空；所述非周期性非多孔多功能陶瓷B2具有致密材料的核心，核心不为空。陶瓷烧结时，核心材料没有燃烧。
更进一步地，步骤7)中，所得周期性或非周期性多孔多功能陶瓷，核心材料留下的空孔可填充其他材料，包括但不限于金属、聚合物、压电材料，或具有额外功能的材料，包括但不限于具有传感功能的材料。
更进一步地，步骤7)中，所述其他材料可凝固形成一个固体结构，或者仅仅覆盖胞壁而不完全填充空腔。
更进一步地，步骤7)中，所述其他材料可以是金属或以导电颗粒为填料的导电核心，集成到烧结温度高于导电核心熔化温度的陶瓷材料中；当陶瓷固化时，核心壁熔化，形成胞壁的材料将在胞底部聚集；在这种情况下，在胞底部将形成与原始空核心胞形状相同或仅为胞壁形状的导电板。
更进一步地，步骤7)中，所述其他材料可以是第二陶瓷浆料；第一制造过程产生具有开放周期性孔隙率的陶瓷，该材料将用作模具，并将第二陶瓷浆注入主陶瓷体的孔中，对整个材料进行第二次烧结，以使核心结晶。
更进一步地，步骤7)中，包含的另一种可能性是，集成一种周期单胞核心，然后集成另一种周期单胞核心；其结果将是一个具有双周期性结构的陶瓷体，该结构由刚性壁和周期性开孔组成；制作过程包括任何核心材与核心胞形状的整合，核心材也可以进行3D打印。
更进一步地，步骤7)中，包含的另一种可能性是，将金属泡沫集成到陶瓷浆中；在这种情况下，烧结保留了核心，并形成具有潜在优异冲击性能的异质高温陶瓷金属材料；所述核心并不是周期性的，所得新陶瓷材料是金属泡沫和陶瓷材料两种材料的随机分布混合。
更进一步地，步骤7)中，包含的另一种可能性是，集成到陶瓷浆中的核心材料还可以是现有领域中的其他陶瓷材料。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备陶瓷泡沫的应用。
具有高结构周期性核心的陶瓷泡沫的制备方法，根据如上所述的方法，陶瓷体可以被设计成以气泡或不同材料的空心球(玻璃珠、粉煤灰、空心二氧化硅颗粒、空心TiO2纳米粒子、空心银纳米粒子等)的形式整合额外的孔隙率，从而在主体中产生分布的微孔隙率；该陶瓷泡沫可与核心材料集成，并将产生以周期方式组织的具有微孔隙率的陶瓷泡沫或形成具有特定固体核心结构的陶瓷泡沫；该陶瓷泡沫可以是多孔的或者非多孔的。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备陶瓷薄膜的应用。
多功能陶瓷薄膜的制备方法，采用如上所述的方法，薄膜的制造将经历包括但不限于流延法的过程；该多功能陶瓷薄膜的周期性胞状结构不在膜上印刷/沉积等，而是其一部分；核心材料可由一层沉积构成，该层沉积产生可通过光刻、印刷、化学沉积或其他用于生产薄材料层的技术获得的规定图案；将陶瓷浆料铺在已经在其上有图案的核心材料、在其上沉积/印刷的周期单元结构的核心材料等的基底上，烧结将周期结构整合到薄膜中。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备高冲击强度和耐高温的三维陶瓷超材料的应用。
新型多功能陶瓷超材料，是一种高冲击强度和耐高温的三维超材料，由包括但不限于吸收体、滤波器、具有多功能特性的声学和电磁隐身装置等与传统陶瓷材料烧结集成的多功能陶瓷材料。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备等离子体陶瓷材料的应用。
新型等离子体材料，是一种具有周期性的、定义明确且排列有序的多孔性材料，包括但不限于具有高温、高冲击、高耐腐蚀、超轻特性、导电的多功能陶瓷材料。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备高冲击强度陶瓷材料的应用。
新型高冲击强度材料，核心材料可以是钛、铁磁性材料或其他材料，最终得到的高度结构化的陶瓷；核心单元的形状可以是满足弹道应用或高冲击速度应用中获得更好性能和碎片保护要求的任何形状；或在多孔体或超轻磁核心中集成智能特征。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备生物陶瓷材料的应用。
新型多功能陶瓷生物材料，根据如上所述的制备方法整合生物陶瓷浆料与一种周期性或非周期性核心材料，制得周期性或非周期性多功能生物陶瓷，核心胞壁为空，间隙可以作为包括但不限于药物输送、细胞生长的载体。
其源陶瓷浆就是生物陶瓷的一种材料，然后把核心集成到陶瓷材料里面，烧结后，生物陶瓷浆变成了新材料，有周期性/非周期性多孔核心(如果核心在陶瓷烧结时不燃烧也可以是非多孔)。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备智能陶瓷的应用。
新型智能陶瓷，根据如上所述的制备方法整合陶瓷浆料与一种周期性核心材料，制得周期性多孔多功能陶瓷，核心胞壁为空，间隙可以作为包括但不限于电线和传感器集成的载体。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备高温导热陶瓷材料的应用。
新型高温导热材料，根据如上所述的制备方法用高导热性材料填充周期性或非周期性的多孔多功能陶瓷原始核心的胞壁留下的陶瓷体内的孔。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备空气和水过滤系统材料的应用。
新型高性能空气和水过滤系统，周期性或非周期性的多孔多功能陶瓷可以更好将过滤的污染元素吸收或截留到核心间隙中，后将其去除。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备环保高强度陶瓷材料的应用。
新型环保高强度材料，将只有高烧结温陶瓷才能实现的功能也可以用低温共烧实现，包括但不限于低温共烧制得超轻版本的陶瓷材料。
本发明提供如上所述的多功能陶瓷材料在制备低温共烧陶瓷材料的应用。
新型低温共烧陶瓷，将核心材料集成在低温共烧陶瓷浆料中，所述核心材料具有周期性结构或非周期性结构；
所述核心材料周期性结构形状包括但不限于圆形、方形、蜂窝状；
所述核心材料包括但不限于聚合物核、聚合物基增强复合材料、纸核、纸增强核、金属核、金属泡沫、金属基复合材料、合金堆芯材料、聚合泡沫、无规纤维泡沫、纤维增强复合材料、陶瓷材料、陶瓷增强聚合物、碳化钛、钛、硝酸锆、石墨复合材料和碳纤维复合材料；
所述新型低温共烧陶瓷材料可以是周期性多孔多功能陶瓷，具有集成周期性孔隙率的陶瓷，其中胞状结构以精确的周期性方式有序排列，核心单胞壁为空；也可以是周期性非多孔多功能陶瓷，具有周期性致密胞状结构的陶瓷，核心单胞壁不为空；也可以是非周期性多孔多功能陶瓷，核心单胞壁为空；也可以是非周期性非多孔多功能陶瓷，核心单胞壁不为空。
进一步地，所述新型陶瓷的制备方法根据陶瓷材料不同需要不同的制备方法，可以采用任何传统的陶瓷浆制备方法或新的方法，以便能够最好地制备陶瓷，包括但不限于以下制备方法：
制备乙醇和甲乙酮质量比为70:30–75:25的溶液，混合；
将陶瓷混合粉分两步加入，混合，制备粉末；
在MEK/乙醇溶液中加入聚丁醛，聚丁醛占MEK/乙醇溶液1％-25％；
塑料圆形模具内壁涂上润滑脂，并将陶瓷浆倒入其中；
添加带有单元胞的核心，核心材料的厚度小于陶瓷浆的总厚度；
把陶瓷浆晾干，干燥后，将陶瓷浆压缩；
烧结：
A类多孔多功能材料的烧结：在2-5℃/min的速度下升温至250-450℃；稳定1-4小时； 2-5℃/min的速度下升温至500-800℃，充分燃烧核心材；稳定1-2小时；在2-5℃/min的速度下升温至550-900℃，陶瓷体凝固；陶瓷结构固化1-3小时。
B类非多孔多功能材料的烧结：在2-5℃/min的速度下升温至250-450℃；稳定1-4小时； 2-5℃/min的速度下升温至500-800℃；稳定1-2小时；在2-5℃/min的速度下升温至550-1600℃，陶瓷体凝固；陶瓷结构固化1-3小时。
更进一步地，温度通常每分钟升高2-5℃，但是，如果在最终材料质量方面得到相同的结果，例如陶瓷内部核心材的结构完整性，核心材留下的空白空间的周期性的结构完整性等则保持不变，则可以考虑其他速率。
更进一步地，所述新型陶瓷的制备方法还包括在混合物中加入粉煤灰微球或中空玻璃颗粒的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一类新的陶瓷材料，包括组合不同材料以获得所需性能和附加功能所需的原理和方法；这些材料可以由具有周期性结构的陶瓷体构成，本发明也讨论了具有在代表性的单胞元内具有随机排列的不同情况，这些材料也可以包括由没有周期性胞的材料构成。简单地说，新材料的特性是用来创造它们的原始材料的特性组合。本发明还包括提供这类新材料制造方法，其以一般形式陈述，但包括所述新材料的任何替代制造过程。本发明的内容不限制起始材料和制造方法，而是包括制成相同新类材料的所有方法。这些材料在机械、冲击、超轻量、电磁、绝缘特性等方面优于传统陶瓷材料，并允许集成其他功能(数据收集、智能、传感、药物传递能力等)。
本发明提出的原理和制造方法的提高了现有陶瓷材料的性能，包括任何类型的陶瓷材料组合物及它的复合材料。在隔热材料领域，如需要具有高电阻和最佳隔热性能的高温材料，本发明中的设计原理的应用可以修改在这种应用中使用的现有材料(或选择新的材料)，不仅这些特性得到了极大的提高，而且还增加额外的功能，因此这一过程将产生一种新的增强型多功能材料。在高冲击强度、弹道性能领域，如需要具有极端冲击强度的材料，本发明提出的原理和制造方法可制出现有的方案(材料和材料系统)的性能增强材料，也可制成具有额外功能的新材料。
本发明所述原理和制造方法的应用制成了一种新的材料类别/组(不仅是一种材料，而且是一系列新的多功能陶瓷)，可用于不同的科学、工程领域，以及在医学领域，其特征在于增强的性质和增加的多功能。
附图说明
图1为本发明的周期性多孔多功能陶瓷材料；
图2为本发明的非周期性多孔多功能陶瓷材料；
图3为本发明的周期性非多孔多功能陶瓷材料；
图4为本发明的非周期性非多孔多功能陶瓷材料；
图5为本发明的周期性多功能陶瓷材料示例；
其中A1-B1为周期性多功能陶瓷材料，A2-B2为传统陶瓷材料，C为核心材；
图6为周期性核心材料单胞元不同的形状示例；
其中A为蜂巢材料，B为正方形单胞元，C为圆单胞元，D为任何形状的3D打印核心；
图7为非周期性核心材示例；
其中A为金属泡沫核心材，B为随机塑料纤维核心材；
图8为本发明多功能陶瓷材料的制造工艺流程图；
图9为本发明多功能陶瓷烧结步骤温度变化示例；
图10为本发明多孔多功能陶瓷烧结步骤温度变化示例；
图11为本发明非多孔多功能陶瓷烧结步骤温度变化示例；
图12为本发明多功能陶瓷第一孔隙率、第二孔隙率示意图；
图13为本发明周期性多孔多功能陶瓷包含的另一种可能性示意图；
其中A为侧视图，B为顶视图；
图14为为本发明具有双周期性结构的多功能陶瓷；其中A)为侧视图，B)为顶视图；
图15为本发明核心材料熔化后在胞状结构底部聚集；其中A)-B)分别为两种例子；
图16为本发明多功能陶瓷多层材料系统示意图；a)-c)为各种多层材料系统示例；
图17为多层材料系统，简单的示意图；a)-b)为各种多层材料系统示例；
图18为实施所得新材料；
其中A为LTCC无核心材料样品，B为圆形蜂窝塑料核心集成在LTCC浆料新材料样品， C为第二样品有蜂窝核心，D为第二样品有蜂窝核心可是烧结温度和/或空心球数量过高， E为B的样品烧结后，圆形蜂窝塑料核心，保持多孔周期结构。
具体实施方式
本发明属于陶瓷材料领域，涉及陶瓷材料最常见的陶瓷的性能：高温、高压缩、高冲击和高耐腐蚀；也涉及多功能材料领域，即为具有智能、数据采集、传感等综合功能的材料。事实上，这些材料不仅可以改善物理性能，而且还可以具有额外的集成功能和“能力”，这将在本发明中部分列为使用这些材料可能获得的一些产品。
现有市场，本发明这类陶瓷材料的方案都是没有的：现有材料中不存在由具有良好定义的周期性结构或高度组织化结构的陶瓷组成，也不存在具有多个增强性质或附加功能的材料、使得这些新材料可以具有不同的功能。这些新材料都是被设计为获得特定的附加属性或增强现有的属性。以下实施例中将给出一些示例。本发明中的原理和制造技术克服了背景部分中列出的所有限制。
本发明包括1：一类新的陶瓷材料，这里称之为“多功能陶瓷”，包括组合不同材料以获得所需性能和附加功能所需的原理和方法；这些材料可以由具有周期性结构的陶瓷体构成，本发明也将讨论具有在代表性的单胞元内具有随机排列的不同情况。材料的代表性单胞元的尺寸小于施加到材料上的特定扰动/刺激(压力、电磁刺激、声学、冲击、冲击、绝缘性能等) 的大小，因此这类新材料的机械、电磁、声学等性能由使用材料特性均匀化一般理论的原理决定。这些材料也可以包括由没有周期性胞的材料构成。简单地说，新材料的特性是由用来创造它们的原始材料的特性组合。
本发明还包括2：这类新材料制造方法，其以一般形式陈述，但包括所述新材料的任何替代制造过程。
本发明的内容不限制起始材料和制造方法，而是包括制成相同新类材料的所有方法。这些材料在机械、冲击、超轻量、电磁、绝缘特性等方面优于传统陶瓷材料，并允许集成其他功能(数据收集、智能、传感、药物传递能力等)。这些特性包括例如高压缩强度或冲击强度、抗冲击性、硬度、介电特性、导热性、导电性、其他特定的磁性和电磁特性、重量轻、生物相容性、生物降解性、零毒性、生态友好性，智能函数以及目标应用程序所需的其他属性。
本发明是一类新型陶瓷材料及其制造方法和应用。
具体地说，权利要求1、4所述的多功能陶瓷是陶瓷材料，其制造方式使得其产生具有特定设计的内部结构，该特定设计的内部结构沿厚度和/或沿平面恒定或可变。与原始陶瓷材料相比，这些材料具有更高的性能。这种特定设计的内部结构，即核心材料(核)，可以是周期性任何具有胞状结构的材料，胞状结构具有任意形状和尺寸、不同胞壁厚度等；或一种没有周期的结构(例如泡沫)的材料。由此产生的陶瓷材料是一种具有特定内部结构的新型材料，最终新材料特性与原来陶瓷的特性不同。原来陶瓷是在没有核心集成的情况下烧结的(以传统的制造陶瓷材料的方式)。应用本发明的原理和制造方法得到的最终陶瓷材料具有：根据初始设计和材料选择，改进的特性或添加的关键功能。结果，陶瓷粉末成分和核心的每一种组合都提供了一种新材料，因此通过应用本发明中的方法创建了一个新类。
权利要求1、4包括两组多功能陶瓷：第一组，具有集成特定的孔隙率的陶瓷，分为两种，一种胞状结构以精确的周期性方式有序排列，胞壁为空，为周期性多孔多功能陶瓷材料，如图1所示，另一种具有集成特定的非周期性的孔隙，为非周期性多孔多功能陶瓷材料，如图 2所示；以及第二组，非多孔核心陶瓷材料，烧结后核心不是空的，分为两种，一种具有集成特定的周期性结构，为周期性非多孔多功能陶瓷材料，如图3所示，另一种没有集成特定的周期性结构，为非周期性非多孔多功能陶瓷材料，如图4所示。
本发明的周期性多功能陶瓷材料如图5(A1-B1)所示(图中a表示侧视图，b表示顶视图)。即周期性多功能陶瓷材料由图5(A2-B2)(图中a表示侧视图，b表示顶视图)材料与图5C材料组合形成的图5(A1-B1)所示材料。当核心材料为非周期性时，所得多功能陶瓷材料为非周期性多功能陶瓷材料。
为了制备本发明的多功能陶瓷，在设计阶段有一些选择，这将导致不同的结果：
1、陶瓷材料，如图5(A2-B2)所示(图中a表示侧视图，b表示顶视图)所示的主体材料，可以是任何材料，包括高温陶瓷和低温共烧陶瓷(LTCC)。由于人们对环境问题的关注很多，因此制造所需能源较少的陶瓷(LTCC)是本发明的特别关注点。
2、核心材，如图5C所示，是一种独立的材料，可以是任何材料，也可以有任何形状和大小的单元。周期性结构核心材料如图6(A-D)所示，非周期性结构核心材料如图7(A-B)所示，但不仅限于图中所示种类。图6D出自Wu et al.“Materials and Design”Journal,180(2019) 107950。必须根据最终材料所需的特定性能来考虑选择。目前市场用于不同应用的不同材料的核有：聚合物核、纸增强核(特别用于复合材料制造和航空航天工业)、金属核等。
图6中，蜂窝核结构非常流行，如图6A所示，其材料基本单元形状为六角形。核心的选择并不局限于商业上可以买到的东西，因为如果使用3D打印机，可能性将变得无限。可以创建具有特殊单元形状、单元大小、单元细胞壁厚等的核心。这些核的材料可以是聚合物、金属(例如，铝钢、铜、银、金、钛等)或陶瓷。例如，在某些应用中，一种有特别厚度的铝板可以被激光机打孔，这一铝板就变为一种核心材料将具有所需的厚度和单元形状。单位胞也可以在同一个核心材料不同，因为三维和激光切割仪器和三维打印可以达到这样的效果。
3、这些多功能陶瓷的制备工艺与传统的制备工艺不同，将包括额外的步骤，这些步骤包括将核心材料集成到制备的初始陶瓷浆料(也叫做陶瓷绿体)中，以及烧结过程中的额外步骤。本发明提供了制备多功能陶瓷所需遵循的基本步骤，该步骤从传统的耐火粉末结合然后烧结的方式开始，但不排除为了达到相同的结果而可以简单改变的其他潜在的路线和制备方式。
多功能材料的设计可以利用许多商用数值模拟软件(如Ansys、Comsol、HFSS等)中的一个进行，在更简单的配置情况下，甚至可以直观地(根据现场经验)或从理论上推导。一旦选择了陶瓷耐火粉末与核心材，多功能陶瓷的制备就遵循了传统陶瓷制备方法之一(高或低烧结温度)。这一步需要注意。
权利要求9中根据权利要求1、4所述的陶瓷材料的制备遵循从耐火陶瓷粉末开始制备浆料的传统方法；这些材料的选择取决于目标材料的特性和应用。陶瓷种类繁多，因此，我们会有不同的成分和烧结温度。由于本发明的新颖性是将核心材添加到原始陶瓷浆料中，因此制造工艺与其他文献中的任何陶瓷制造工艺都有本质上的不同，图8中总结了整个工艺。该图代表了新型陶瓷制备和烧结的情况；如果存在替代过程(如流延工艺等)和其他可能在未来探索的路线，也将需要此些新步骤。在其基本原理中，制造过程包括以下步骤：
1)所需多功能陶瓷材料性能的建设(设计、计算、评估)；由于最终材料是两种(或更多)不同材料的组合，它们的组合将导致跟原来的传统陶瓷材料的特性完全不同的材料特性。
2)选择陶瓷粉末成分及其核心(核心材料、厚度、单元尺寸、单元形状、单元壁厚等) 以达到所需的性能。如果材料科学家/设计师/工程师有经验，他可以直观地猜测最终产生的性能，因此可以直接选择陶瓷材料与核心，并在制造完成后通过测试最终新材料来验证性能。否则需要一些计算。
3)以传统的方式制备陶瓷浆料，其包括混合几种纳米粉体，添加颗粒分散剂、发泡剂、添加剂等，从而形成均匀的陶瓷浆料。
4)将核心材料整合到陶瓷浆料中。这一步是制备这些新材料的新的基本步骤。
5)为了固结陶瓷浆料，进行静置。
6)对干燥的陶瓷浆料进行压缩。压力可以是1-5兆帕，或更高。必须注意的是，要获得非常致密的浆料和良好的最终新材料的晶体结构，通常在烧结前对陶瓷浆料加压力。绿体通常在模具内，然后对材料进行压缩。为了使材料能够压实，必须选择一种能完全融入陶瓷浆料的核心，也就是说具有较短厚度的核心。
7)多功能陶瓷材料烧结，通常分步骤进行：
首先，烧结应注意去除陶瓷浆料中的气体；以及去除由于在其成分中添加了有助于不同陶瓷颗粒均匀分布的发泡剂和/或分散剂等添加剂，或曾有助于在陶瓷体内形成额外的微孔，从而导致具有额外微孔的添加剂。由于添加到陶瓷浆中以帮助混合物的添加剂等而形成的气体，随着温度的升高，这些化学物质蒸发，并慢慢离开陶瓷体。
烧结温度示例如图9所示，第一步烧结：这里通常要除去陶瓷浆中形成的所有气体。该温度通常设置为高于所有添加剂、发泡剂和其他添加到陶瓷混合物中的附加化学品的温度，以便以所有期望的方式使最终产品的起泡、均匀化或有助于提高质量。在这一步，如果核心材由熔化温度等于或低于第一烧结温度骤的材料制成，则核心材也可以开始燃烧或熔化。在这个步骤中，温度通常上升到250℃或300℃，是一个缓慢的温度梯度，通常可以是2℃-5℃/ 分钟。
在第二步烧结步骤9A或9B：为了实现陶瓷材料的良好结晶，将烧结斜坡分成几个步骤是正常的，这些不同的温度斜坡允许缓慢地实现材料的完全结晶，并在材料均匀性和材料性能方面获得优异的质量。应根据每种情况研究和确定斜坡的温度和速率(温度随时间增加)。如果核心材在高于第一烧结匝道的温度下烧结，则可能有必要考虑第二烧结匝道的速度比通常对没有核心材的传统陶瓷材料的速度慢；或者添加额外的步骤。其中的原因是，速率和温度应能保证核心在燃烧时不会损坏陶瓷材料的内部。实际上，大量材料燃烧会产生内部压力，这可能会导致形成主要的内部缺陷因为陶瓷材料尚未结晶，在其他情况下，核心可以是由另一种陶瓷材料制成的结构，其烧结温度不同于陶瓷体，因此应添加额外的烧结坡道，以允许烧结不同的材料。第二步烧结是对于所有的本发明介绍的材料，特别是对于源陶瓷浆，核心材料重要是为了获得最终新材料的结果。这些例子并不限制发明的可能性。
核心材料的存在可以影响温度斜坡的速率和额外步骤中描述的注意事项。例如，为了缓慢地熔化和燃烧核心材料并缓慢地排出正在烧结的浆料中的所有气体，如果有必要，烧结过程中的温度斜坡需要以比通常用于相同材料(无芯)的速度慢得多的速度进行。从这个意义上说，传统的烧结工艺应该根据我们想要得到的结果(最终的材料)仔细地重新设计或研究。一般过程如图8所示。在这里，第一步“设计”是指，一旦我们选择了陶瓷粉末成分并制备了浆料，烧结温度(最终温度)已经由我们制备的浆料决定，但烧结过程(不同的温度梯度和步骤)可能会因有核心材料而不同，在达到烧结过程的最高温度之前，我们可能需要更多的“台阶”或更慢的坡道。
最终的结果是不同的，这取决于设计师选择了什么样的核心：在陶瓷浆料完全烧结之前燃烧的核心，或是抵抗陶瓷浆料烧结过程的核心。这两大类将产生多孔或非多孔的新陶瓷材料。
如果目标是获得多孔多功能材料(A类)，则烧结过程应进行如所示在图8中的步骤9A，核心材料燃烧。烧结的第二步取决于核心材(单胞形、尺寸、壁厚等)和所需的结果。如果核心材是一种聚合材料，其燃烧温度高于第一烧结步骤中所用的温度(用于清除困在陶瓷浆料中的气体)，则应计划使用第二个坡道来燃烧核心。建议在相同的温度下不要去除陶瓷浆中的气体和燃烧核心，气体通过陶瓷浆料的移动以及岩心的熔化和汽化可能会破坏内部材料细胞结构的稳定性。9A最后的结果如图1(A-B)所示(图中a表示侧视图，b表示顶视图)与图2所示(图中a表示顶视图，b表示侧视图)。
核心材料包括但不限于热固性或热塑性聚合物及衍生复合材料：聚丙烯核、聚甲基丙烯酸甲酯、聚合物基复合材料、带任何填料或增强体的聚合物基复合材料、石墨烯核、非晶碳核。一般而言，任何熔化和燃烧温度低于用于烧结主陶瓷体的温度的材料。热固性聚合物包括但不限于聚氨酯、聚酰亚胺，氰酸盐和环氧树脂；热塑性聚合物包括但不限于丙烯酸 (PMMA)、尼龙、PC、PE、PP、ABS；金属核包括但不限于铝，银、铜、金。
选择9A烧结路线，目标是燃烧核心。如果核心是聚合材料或任何熔化温度和燃烧温度低于烧结陶瓷体所需最高温度的材料，则核心将在烧结过程中燃烧。因此，需要在整个烧结过程中适当设计和集成一个温度斜坡，以充分燃烧铁心。如图10所示。
更详细地说，如果选择的原陶瓷成分是低温共烧陶瓷(LTCC)，则材料的烧结温度(如已商业化的LTCC陶瓷所示)通常低于1000℃。一些所需的LTCC也在从550℃到800℃。要使用LTCC陶瓷获得多孔多功能陶瓷，核心材料选择聚合物基材料，因为这些材料大多在550℃以下熔化。如果LTCC陶瓷体的烧结温度在1000℃左右，我们还可以使用铜等金属芯，在上述温度范围内，我们还可以使用石墨和碳纤维复合材料作为芯，纸核心。斜坡建议为2-5℃ /分钟，最高可达400℃；对于增强纸基材料，温度斜坡建议可达500℃；铜在大约1000℃时会软化并在陶瓷体内留下一个空腔。大多数聚合物基增强复合材料也会在低于1000℃的温度下燃烧。因此，将温度升高到这些值将保证陶瓷体内的核心材料完全燃烧。
如果选择的原陶瓷成分是高温共烧陶瓷(HTCC)，则最终烧结温度(如文献和商业产品所知)高于1000℃，最有可能是在1600℃左右。在这种情况下，核心可以是任何聚合物基材料、一些金属以及陶瓷增强材料聚合物，也可以是一种LTCC陶瓷。
如果选择的原陶瓷成分是超高温共烧温度陶瓷(UHTCC)，则最终烧结温度(如文献和商业产品所知)高于1600℃，很可能在2000℃左右。在这种情况下，核心可以是任何聚合物基材料、大多数金属以及陶瓷增强聚合物，这些材料中的大多数不能承受如此高的温度。
在本发明中，“多孔多功能陶瓷材料”这一类(A类)分为两个子类，即周期性(图1)或非周期性(图2)多孔多功能陶瓷。这一区别并不是由制造方法中的任何附加步骤得出的，而是由图8中步骤2b中选择的不同核心材得出的。具体来说：
如果在步骤2b中选择的核心是呈现具有周期性排列结构的材料，具有任何尺寸和形状以及任何单元壁厚的单元，例如众所周知的蜂窝材料或图6中给出的示例，则最终的陶瓷将是具有周期性内部孔隙率的多功能陶瓷。在本发明中，该子类标识为周期性多孔多功能陶瓷材料(A1)。
如果在步骤2b中选择的核心是没有周期性的材料，例如任何具有任意孔隙率的材料泡沫，例如图7，则最终的多功能陶瓷将具有非周期性/任意孔隙率。在本发明中，该子类标识为非周期性多孔多功能陶瓷材料(A2)。
如果目标是获得非多孔多功能材料(B类)，则烧结过程应进行如所示在图8中的步骤 9B，核心材料不燃烧。在这种情况下，核心在陶瓷的最终烧结温度下不会熔化，在整个材料进行标准烧结时保持其结构，这将制成一种实心材料，其硬核心完全融入其中，如图3(A-B) (图中a表示侧视图，b表示顶视图)、图4(图中a表示侧视图，b表示顶视图)所示。
选择9B烧结路线，目的是烧结陶瓷体同时保留集成在其中的核心。如果核心材料是一种材料熔化温度和燃烧温度高于烧结陶瓷体所需温度的材料，在烧结时核心在陶瓷体内将保持不会变。如图11所示。
更详细地说，如果选择的原陶瓷成分是低温共烧陶瓷(LTCC)，材料的烧结温度通常为 1000℃，一些所需的LTCC也在550℃到800℃的温度下制造。要使用LTCC陶瓷获得具有固体集成核心的多功能陶瓷，核心材料可选择例如，金属、合金、金属基复合材料、高温陶瓷等。如果LTCC陶瓷体的烧结温度在550℃到800℃之间，我们也可以使用一些金属核心，比如铜。在这个温度范围内，我们也可以使用石墨和碳纤维复合材料作为核心，金属纤维增强聚合物复合材料的软化温度大多在600℃以上，因此材料的烧结将遵循传统的烧结工艺，因为在这种情况下不需要去除核心。所有温度梯度建议为2-5℃/分钟。
如果选择的原陶瓷成分是高温共烧陶瓷(HTCC)，则最终烧结温度(如文献和商业产品所知)高于1000℃，最有可能在1600℃左右。在这种情况下，核心材可以是金属的，也可以承受如此高温的陶瓷。
如果选择的原陶瓷成分是超高温共烧温度陶瓷(UHTCC)，则只有另外几个HTCC材料如碳化钛、钛、硝酸锆等超高温陶瓷才能成为潜在的核心材料。
在本发明中，“非多孔多功能陶瓷材料”这一类(B类)分为两个子类，即周期性(图3) 或非周期性(图4)非多孔多功能陶瓷。这一区别并不是由制造方法中的任何附加步骤得出的，而是由图8中步骤2b中选择的不同核心材得出的。具体来说：
如果在步骤2b中选择的核心是呈现具有周期性排列结构的材料，在本发明中，该子类标识为周期性非多孔多功能陶瓷材料(B1)。
如果在步骤2b中选择的核心是没有周期性的材料，在本发明中，该子类标识为非周期性非多孔多功能陶瓷材料(B2)。
最终烧结步骤：旨在使陶瓷材料充分结晶。
上述提到必须选择一种能完全融入陶瓷浆料的核心，也就是说具有较短厚度的核心。与浆体厚度相同会导致核心屈曲或轻微变形。如下描述，核心的屈曲可以是特定的期望结果，是要故意实现的结果。这将创造出一种具有周期性胞状结构的材料，其周期性在整个厚度中不是恒定的。
权利要求9包括陶瓷浆料受压时选择使核心材变形的原则。如果这是制造计划的一部分，最终材料在厚度和/或平面上的周期性将不均匀。这一步需要一个模具。模具能保持核心材料的变形状态和料浆的形状。在这种特殊情况下，如果核心材是聚合物，则会在陶瓷体内留下一个空结构，该结构在厚度上不规则。
同样，对于高温芯材，当胞壁厚度很薄且易变形时，烧结后仍能保持压缩状态，这一过程的结果使材料具有周期性结构，其周期性在厚度上不规则。这种特殊的结果可以有利于，例如，高冲击速度和弹片限制，因为它增加了陶瓷体内更多的异质性和更多的机会来阻止一个弹丸，或者，也可以集成设计成在变形下像弹簧一样工作的核心材料。烧结后，变形能存储在材料中，只有在陶瓷体发生碰撞或裂纹时才会释放(对冲击应用有用)。这种特殊的最终材料具有更高的冲击强度。
权利要求9包括一种制备具有额外高结构周期性核心(多孔或非多孔)的陶瓷泡沫的方法。在这种情况下，陶瓷体可以被设计成以气泡或不同材料的空心球(玻璃珠、粉煤灰、空心二氧化硅颗粒、空心TiO2纳米粒子、空心银纳米粒子等)的形式整合额外的孔隙率，从而在主体中产生分布的微孔隙率。然后，该陶瓷泡沫可与核心材集成，并将产生具有第二阶孔隙率的陶瓷泡沫或形成具有特定固体核心结构的泡沫。
如图12所示，材料结果中的细节包括制造陶瓷泡沫具有附加特定的微孔隙率的，多孔性的或非多孔性的结构。由于在浆料中添加发泡剂(在第一个烧结坡道中去除)，在烧结后可形成具有微孔隙率的材料。在本发明中，这种孔隙率被称为“次生孔隙率”，以区别于主要的孔隙率，这是由于岩心燃烧和留下的空隙(核心材料的壁不再存在)的事实。具体如图12中所示，第一种孔隙率是由于核心的燃烧产生的周期性/非周期性孔隙率，第二种孔隙率是由于在陶瓷浆中加入发泡剂(陶瓷泡沫材料是一种在许多不同领域使用的额外轻质材料)产生的微孔隙率。图中放大了“微孔隙”的大小，一般来说，这些都是陶瓷体内的微孔。
权利要求9包括步骤9A和9B的变化，如下图13(A-B)所示。替代的制备方法可制成多功能陶瓷，其中，在烧结工艺和冷却至室温后，核心材料留下的空孔可填充其他材料，金属或聚合物。这个额外的步骤允许将另一种材料注入到核心留下的空白处。第二种材料将凝固形成一个固体结构，或者仅仅覆盖细胞壁而不完全填充空腔，形成一种波导(在电磁应用的情况下)或一般的血管系统。这一过程也可能导致以下可能性：在具有周期性多孔核心的多功能陶瓷的情况下，可以将铜等导电材料注入原始核心结构的空隙中。铜在1000℃以上熔化，因此有必要使用在1000℃以上高温烧结陶瓷。金属在核心单元的墙留下的空隙中凝固，将形成导电的周期性结构。这是将3D打印铜芯集成到低温共烧陶瓷中得到的等效结果，不同的是，我们可以使用高温陶瓷(某些应用可能需要这种特性)，通过熔化金属，我们可以在原始核心材料单元的墙壁上涂覆，并获得“波导”结果，如图13(A-B)。
根据权利要求9所述的另一种替代方法是将第二陶瓷浆料注入根据权利要求9所述的一种制造方法获得的多功能陶瓷中。例如，第一制造过程产生具有开放周期性孔隙率的高温陶瓷。该材料将用作模具，并将第二水陶瓷浆注入主陶瓷体的孔中。将对整个材料进行第二次烧结，以使核心结晶。在这种情况下，制备将导致陶瓷材料具有不同材料的陶瓷芯。这些材料的各种应用包括超高冲击陶瓷。
权利要求9中包含的另一种可能性是，例如，集成金属周期单胞核心，然后集成聚合物周期单胞核心。其结果将是一个具有双周期性结构的陶瓷体，该结构由刚性壁和周期性多孔组成，如图14。在这种情况下，部件(1)例如是带有电线/针的铜板。(1)可以是不同材料的任何其他成分。然后将部件(1)***陶瓷浆料(2)，在这里我们已经***了一个周期性的核心(3)。部件(1)的设计方式是，板的每根线/线将位于周期性核心的单个单元内。根据部件(1)的材料，我们可以得到两种不同的结果：部件(1)熔化或燃烧(A)，或者部件(1) 在烧结后保持固态(B)。这是一种在陶瓷材料内部产生双周期性的情况。制作过程包括任何核心材与核心胞形状的整合，实际上核心材可以进行3D打印。这为材料的选择以及最终结果提供了多种选择。最后的陶瓷可以夹在两层之间。这些附加层可以是如权利要求1、4的任何材料或传统材料。它们也可以按照权利要求9或传统方式制造。这种分层结构通常用于抗冲击面板。
权利要求9中包括的另一种选择是制造多功能陶瓷薄膜。将采用与权利要求9相同的步骤，但薄膜的制造将经历例如流延法的过程，该流延法随后在本发明中用于制造多功能陶瓷薄膜，并且这些材料也将包括在权利要求1、4中。与现有的具有周期性胞状结构的膜的主要区别在于，周期性胞状结构不在膜上印刷/沉积等，而是其一部分。核心材料可由一层沉积构成，该层沉积产生可通过光刻、印刷、化学沉积或其他用于生产薄材料层的技术获得的规定图案。陶瓷薄膜流延成型是一项众所周知的技术，简单地说，就是将浆料分散在平坦的表面上，形成薄膜。然后在必要的温度下烧结薄膜，形成一个薄陶瓷。在这种情况下，陶瓷浆料可以铺在已经在其上有图案的核心、在其上沉积/印刷的明确的周期单元结构的核心等的基底上。烧结将周期结构整合到薄膜中。核心材料和陶瓷体将有一个单一均匀的厚度形成一个薄膜，流延技术可以非常精确地控制最终的薄膜厚度。
权利要求9的附加备选方案包括将金属导电核心(例如铜核心或以导电颗粒为填料的聚合物基材料)集成到烧结温度高于导电核心熔化温度的陶瓷材料中。当陶瓷固化时，核心壁熔化，形成胞壁的材料将在胞底部聚集。在这种情况下，在胞底部将形成与原始空核心胞形状相同或仅为胞壁形状的导电板(允许熔化材料具有核心胞形状可能需要模具)。如图15。可以有目的地计划堆核心材熔化，而不是其汽化。
本发明的一个示例为将金属泡沫集成到陶瓷浆中。在这种情况下，烧结保留了核心，并形成具有潜在优异冲击性能的异质高温陶瓷金属材料。在这种情况下，核心并不像以前那样是周期性的，而是两种材料的随机混合，如图7。代表性单元仍然可以使用一些均匀化技术建模，以预测整体材料特性。如果核心是这种金属泡沫，核心不是周期性的，所以新陶瓷就是一种新陶瓷有“金属”里面。按照均匀化性质理论，最后，新多功能陶瓷材料的特性就是这是两种材料性能的结合，由于金属部分的存在而具有改进的性能的陶瓷。
本发明的另一个示例为将聚合泡沫集成到陶瓷浆中，如图2。烧结后陶瓷里面的核心是空的，这种情况导致高或低烧结陶瓷具有高孔隙率。同样的孔隙率可以用另一种材料，铜、聚合物等填充。这种情况可以在过滤技术中得到应用。
采用本发明提出的新方法，可实现周期性(单位胞非多孔或多孔)或非周期性(非多孔或多孔)多功能陶瓷、LTCC或高温烧结陶瓷。其他方面：
它们不仅可以作为厚基板制造，也可以在层状结构中制造，如图16、17所示。在每一层的核心可以是不同的。层的厚度可以是目前可用技术或未来技术进步所能制造的核心材的最小厚度一样的。多层陶瓷材料系统层数可以根据实际需要制定，每一层可以是传统陶瓷材料或周期性多孔多功能陶瓷材料或周期性非多孔多功能陶瓷材料或非周期性多孔多功能陶瓷材料或非周期性非多孔多功能陶瓷材料。如图16所示，多层陶瓷材料系统可以是两层，第一层可以是周期性多孔/非多孔陶瓷材料，如核心材料是蜂窝孔的陶瓷材料；第二层可以是相同的也可以是不同的陶瓷材料，如相同的蜂窝孔陶瓷材料，或者多孔的/致密的正方形/六边形胞元的陶瓷材料。如图17所示，多层陶瓷材料系统还可以是三层，可以用传统陶瓷材料裹挟多功能陶瓷材料，多功能陶瓷材料可以是周期性多孔多功能陶瓷材料或周期性非多孔多功能陶瓷材料或非周期性多孔多功能陶瓷材料或非周期性非多孔多功能陶瓷材料。本发明的层数不仅限于2层或3层，可以是2～10层，本发明中的任何材料组合都可以组合在多层材料系统中，这里2层或3层只是示例，以使读者了解材料工艺。
目前市场上有陶瓷带和薄膜，本发明所述薄膜材料的烧结采用与流延法相同的基本原理，其主要区别和新颖性体现在权利要求9的附加步骤9A或9B上，因此也体现在制造这些材料的新方法上。在周期性孔隙率的情况下，最终材料可根据应用情况填充软聚合物材料、压电材料等，或可添加额外功能，如传感。
利用本发明提出的方法，可以更好地制备由于高强度性能和高温材料的需要而无法进行 3D打印的生物陶瓷。最终的陶瓷里面的多孔3D核心可以重现一个毛细血管网络，帮助骨骼再生或其他细胞生长。首先，使用3D打印技术制作出具有所需形状的聚合物核心，然后将核心集成到陶瓷浆料中，从而制成最终的多功能陶瓷。在烧结过程中，聚合物核心材料将被燃烧。最终的多功能生物陶瓷将呈现核心材料留下的内部孔隙。一般来说，生物陶瓷是具有优异力学性能的陶瓷，通常采用高温烧结陶瓷来实现。到目前为止，还没有生物陶瓷能像本发明中的生物陶瓷那样呈现出新颖性。它们都是散装材料。利用本发明，我们可以创造具有附加功能的这些相同材料，例如，可以将先前类似于血管系统的3D打印聚合物核心材料集成到陶瓷浆料中。陶瓷浆将流过结构并完全嵌入。在烧结过程(通常在高温下)之后，生物陶瓷是一种新型陶瓷(因为有多孔性，所以特性跟原来的陶瓷是不一样的)，具有设计良好的孔隙率，在这种情况下能够容纳有助于细胞生长的毛细血管，这些解决方案在医学领域是非常理想的。
对于空间组件来说，超轻陶瓷是必要的，本发明材料现在可以提供集成通信线路、更好的加热系统等的可能性。设备，系统和部件可以更好地加热和制冷，理想情况下，网络可以设计为输送水或其他液体，或者有一个传导网络来加热整个材料。
本发明还提供了一种超材料技术(MTM)制造的设备的方法，特别是对于需要高温和高结构强度的应用。
人们感兴趣的是低介电和低损耗材料。本发明这些材料无疑是电子元件的理想基材。在低介电常数和低损耗LTCC材料的特殊情况下，本发明提供了一种制造具有多孔周期性的材料的方法，该多孔周期性在均匀化特性方面肯定保证新材料比使用相同陶瓷粉末混合物，没有孔隙率或随机孔隙率(如果使用泡沫)制成的材料的介电常数低得多。此外，损耗也降低了，因为一般陶瓷不存在弛豫现象，只有当材料的波长与代表陶瓷体周期性的单位胞尺寸相当时，才可能会产生耗散效应。在本发明，材料的孔隙率有一个特定的设计，这是由于核心胞壁留下的空间。
一种垂直于材料表面传播的波，其波长比代表陶瓷体的周期性的单位细胞的大小大多了，因此波不会感知单位细胞材料的不均匀性，也不会受其影响。本发明提供了重新考虑以前由于其高介电常数而被排除在外的很多材料来作为设计选择的可能。在这一点上，根据应用情况，陶瓷材料的特性常数可以设计为在超材料设计中所做的那样。事实上，单位胞孔隙率(在低介电和低损耗应用的情况下)或有更密集的墙的单位胞(对于高介电和高损耗材料)是材料特性均匀化的基本单位。这项技术的所有优势都将保留。
本发明提出的原理和制造方法的目的是为了提高现有陶瓷材料的性能，包括任何类型的陶瓷材料组合物及它的复合材料。例如，在隔热材料领域，如果需要具有高电阻和最佳隔热性能的高温材料，本发明中的设计原理的应用可以修改在这种应用中使用的现有材料(或选择新的材料)，不仅这些特性得到了极大的提高，而且还增加额外的功能，因此这一过程将产生一种新的增强型多功能材料。在另一个例子中，如果在高冲击强度、弹道性能领域，需要具有极端冲击强度的材料，本发明提出的原理和制造方法可制出现有的解决方案(材料和材料系统)的性能增强材料，也可制成具有额外功能的新材料。
因此，本发明所述原理和制造方法的应用制成了一种新的材料类别/组(不仅是一种材料，而且是一系列新的多功能陶瓷)，可用于不同的科学、工程领域，以及在医学领域，其特征在于增强的性质和增加的多功能。
综上所述，本发明的主要新颖性在于，在制备陶瓷材料以获得新一类材料的同时，将核心集成到绿体中。核心将完全浸入陶瓷浆中。一旦达到陶瓷制备的最终步骤，所制备的特定陶瓷的烧成将根据所需的最终材料特性产生两个主要的不同结果。如果核心是在低于陶瓷部件的温度下燃烧的聚合/复合材料，则烧结会烧掉核心材料并使陶瓷结晶，同时留下被核心墙占据的空间使其空着。这样做可以得到具有周期性多孔体的特定陶瓷结构。如果核心是一种材料，可以抵抗高温烧结，那么最终的陶瓷将有一个周期细胞密集的核心。这两个结果同样适用于非周期核心，如非周期多孔泡沫和特殊设计的非周期非多孔核心。
由于核心可以服务于不同的功能，根据权利要求1、4的材料和根据权利要求9的基本原理制造的材料可以被设计成具有特定的高度改进的性能和/或附加功能的整体最终材料，例如电磁功能/电气功能/改进的冲击功能/改进的介电常数(更低或更高)、超轻量等，以及这些特性的组合。
新型多功能陶瓷材料在通信设备、航空航天器件、建筑工程、环境保护、医疗等领域有着广泛的应用前景。在所有这些应用中，它们相对于现有材料具有以下优点：
1)可以实现更高的电磁性能；
2)可以达到更高的隔音/隔热/电绝缘性能；
3)可在分层系统中制造，如图16和17所示；
4)允许设计和制造全新的电信/音响设备；
5)允许设计和制造新的超材料产品和设备；
6)允许设计和制造新的空气和水净化系统；
7)允许设计和制造高温/高强度/高冲击/生物材料以及附加的智能/磁性/药物输送等多功能。
本发明可以创造出以下新材料，对社会和新材料技术的发展具有重大的效益：
1、新型多功能陶瓷超材料。
通过这种方法可以获得高冲击强度和耐高温的三维超材料(吸收体、滤波器、具有多功能特性的声学和电磁隐身装置等)。在超材料，电磁和声学的特定情况下，本发明为具有现在不存在的特性的工程超材料开辟了一个新的可能性世界。陶瓷材料的电磁特性(介电常数、损耗、磁导率等)实际上可以用附加的自由度来设计。核心可以是铜或其他导电材料。超材料的性能可以根据铜陶瓷材料对特定电磁频率的整体响应来设计。例如，可以制造出高质量的三维电磁吸收体。或者，低介电陶瓷可以用陶瓷-耐火粉末混合物制成，以前由于其高介电常数而被排除在外，现在可以选择。
事实上，对于具有周期性开孔率的多功能陶瓷，孔隙率将是帮助降低介电常数的主要变量，而不仅仅是材料成分。多孔周期性结构的核将显著降低整体介电常数，这也是均匀化材料性能计算的结果。同样的原理也适用于声学超材料，在这种超材料中，现在可以以更高的自由度来设计块体材料的性能，因为现在本发明给丰富的选择，“真实”的材料具有高温、高抗冲击性等，来设计和制造这些超材料。潜在的声学和电磁隐身可以实现。这两种功能的结合仅取决于设计，但本发明提供了额外的材料来充分实现这些功能。
2、新的等离子体材料和器件。
过去理论上证明的表面等离子体被认为是由具有周期性的、定义明确且排列有序的多孔性材料产生的。一般来说，文献中理论上设想的材料是导电材料。这些理论结果，在大多数情况下，由于缺乏现有技术来实现这些材料，实际上从未达到。本发明允许等离子材料的设计，因为陶瓷现在可以设计为具有规则周期孔隙率，并且可以是高温、高冲击、高耐腐蚀以及具有超轻特性。
3、新型高冲击强度材料。
核心可以是钛或其他材料，最终是高度结构化的陶瓷(在提到使用本发明的原理和制造方法可获得的替代材料(结果)这一部分)，核心单元的形状可以是满足弹道应用或高冲击速度应用中获得更好性能和碎片保护要求的任何形状。在多孔体或超轻磁核心中集成智能特征有助于弹丸的斥力。目前防护技术材料设计中的一个限制因素是高强度陶瓷的重量太重。为此，存在较轻的材料核心，如钛或铁磁性材料，可对撞击弹丸施加排斥电磁力，最终可在设计更好的产品方面取得进展，并实现以前不可能实现的车身和车辆/飞机/空间飞行器保护。在多孔体或超轻磁核心中集成智能特征有助于弹丸的斥力。目前防护技术材料设计中的一个限制因素是高强度陶瓷的重量太重。
4、新型多功能陶瓷生物材料。
整合在生物陶瓷浆料中的核心可被燃烧，间隙可以作为药物输送、细胞生长等的血管。
5、新型智能陶瓷。
核心可能会燃烧，为电线和传感器的集成留下空间。
6、新型高温导热或绝缘材料。
例如，在高导热性材料的情况下，可以用高导热性材料填充原始核心的墙留下的陶瓷体内的孔。这将导致一个核心，可以加热整个材料。这些材料的新特性可以包括新的专门设计的电磁性能(例如集成到陶瓷体中的超材料核心)和更高的热性能。铜的升温速度比陶瓷体的其他部分要快，这有助于使整个材料的温度自然快速升高。展望的应用领域一般是绿色建筑、航空航天、节能等应用领域。
7、新型高性能空气和水过滤系统。
所提出的材料允许整合一个系统，最终清理被吸收或截留的废物，就像一个血管系统，可以吸收被截留到毛孔中的元素，并将其洗去，在其使用寿命结束后达到或打开一个电磁场等捕捉污染原子和离子。
比如下一代的水或空气过滤器情况下，污染颗粒被困在滤料中，这些滤料现在几乎是不可回收的。集成到材料中的血管网络(例如通过材料的电流的铜网络、多孔微通道系统等等) 的存在可能有助于增加过滤器的功能，如打开磁场，或让液体通过过滤材料和许多其它解决方案，这有助于这些污染物颗粒通过过滤器并被收集起来进行最终处置。该潜在过滤器清洗系统的详细设计将取决于目标过滤器类型和污染物类型。
8、新型环保高强度材料。
目前，有一些应用只有高烧结温陶瓷才有希望实现的功能。可是现在也可以用低温共烧陶瓷，具有很大的节能潜力。所有超轻版本的这些材料还达到改善燃料和节能的目的。
9、新型催化剂、传感器和新能源材料。
这些新材料也可以作为新的传感器、电池、太阳能电池等应用。具有集成导电网络的薄膜和层在电池和太阳能电池中有着广泛的应用。
由于这些新材料可以在极为不同的应用中使用，背景技术包括属于不同科学领域的材料和加工方法方面。这里，在不排除在其他应用中可能产生并且这些特定领域的专家可以容易地识别的其他可能性的情况下，下面列出通过实施本发明中的新材料设计和制造方法将获得最大利益的实例。
本发明的优选实施例还提供了可通过应用本发明建议的设计及其建议的制造过程而产生的材料的少数示例。
本发明中，低温共烧陶瓷(LTCC)或高温烧结混合陶瓷粉末(耐火粉末)(原陶瓷材料- 材料(1))图5(A2-B2)是按照传统用于制备陶瓷浆料的程序制备的，该陶瓷浆料包括粘合剂、颗粒分散剂，添加剂等。耐火粉末根据应用情况进行选择，材料性能取决于混合物成分。
本发明还选择了核心材材料(2)，如图5C或图7所示。核心可以是任何具有周期性细胞和/或任意形状结构的材料以及金属/或其它材料。这些材料可以购买，或三维打印，周期性示例如图6。商业上可以买到各种各样的核心材；它们可以是塑料或金属、陶瓷等材料，带有蜂窝单元、圆形单元或专门设计和工程的。核心也可以使用具有随机分布的纤维或开孔的核心/泡沫材料，如图7所示。
应用本发明权利要求9所述的制造方法，原陶瓷材料材料(1)和核心材材料(2)的结合将产生新材料如具有周期性单位胞元结构的多功能陶瓷材料(3-1组)如图1和3所示，或非周期性材料核心的多功能陶瓷材料(3-2组)如图2和4所示。按周期性划分，本发明的多功能陶瓷材料(3)中的最终材料可分为两组。
按核心是否燃烧划分，本发明的多功能陶瓷材料可分为两组(如下A、B组)。
第A组(通过图8中步骤9A实现)：核心在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料。第A组可简单地表示在图1和图2中，其中核心材料在高温下燃烧，最终材料在陶瓷体内呈现孔隙率。
如果在原陶瓷材料材料(1)中选择的陶瓷成分是低温共烧陶瓷(LTCC)，那么最终烧结温度低于1000℃，一些非常有前途的LTCC陶瓷也在从550℃到800℃的极低温度下制备。则，核心材料(2)主要是聚合物材料的芯材，因为这些材料中的大多数在550℃以下熔化、软化和燃烧，如果是聚合物基材料(纤维增强复合材料、带陶瓷填料的聚合物等)，则通常在 800℃以下。如果LTCC陶瓷体的烧结温度在900℃到1000℃之间，则核心材也可以是金属材料，例如铜。在这个温度范围内(很可能低于1000℃)，我们还可以使用石墨和碳纤维复合材料作为核心、纸核心、金属纤维增强聚合物复合材料。
如果原陶瓷材料材料(1)中选择的陶瓷成分是高温共烧陶瓷(HTCC)，则最终烧结温度(如文献和商业产品所知)高于1000℃，最有可能在1600℃左右。在这种情况下，核心可以是任何聚合物基材料、一些金属以及陶瓷增强材料聚合物或LTCC陶瓷。
如果原陶瓷材料材料(1)中选择的陶瓷成分是超高温共烧温度陶瓷(UHTCC)，则最终烧结温度(如文献和商业产品所知)高于1600℃，很可能在2000℃左右。在这种情况下，核心可以是任何聚合物基材料、大多数金属以及陶瓷增强聚合物，这些材料中的大多数不能承受如此高的温度。
第B组(通过图8中步骤9B实现)：具有核心材的材料，核心材能在极高的温度下耐受，从而使核心材能够经受烧结过程。如图3和图4所示的第B组，其中核心不受高温影响，并且将在烧结过程中保存，从而形成具有实心胞状结构的陶瓷材料，其核心跟陶瓷体为不同的材料。
如果原陶瓷材料材料(1)中选择的陶瓷成分是低温共烧陶瓷(LTCC)，则最终烧结温度 (如已商业化的LTCC陶瓷)低于1000℃，一些非常有前途的LTCC陶瓷也在从550℃到800℃的极低温度下制备。核心材料(2)选择在陶瓷烧结过程中不会改变的核心材料，不会软化、熔化和燃烧引起的变化，如大多数金属、金属基复合材料、一些陶瓷增强聚合物，金属基复合材料和高温陶瓷。大多数金属和金属合金在更高的温度下不会软化。如果LTCC陶瓷体的烧结温度在550℃到800℃之间，我们也可以使用一些金属芯，比如铜，这是典型的LTCC陶瓷在通信领域应用的特征。
如果原陶瓷材料材料(1)中选择的陶瓷成分是高温共烧陶瓷(HTCC)，则最终烧结温度(如文献和商业产品所知)高于1000℃，最有可能在1600℃左右。在这种情况下，芯材可以是任何材料，金属的，也可以是承受如此高温的，陶瓷，因此可以是其他HTCC陶瓷和一些金属。
如果原陶瓷材料材料(1)中选择的陶瓷成分是超高温陶瓷，只有另外几个HTCC材料如碳化钛、钛、硝酸锆等超高温陶瓷才能成为潜在的核心材料。
本发明也可以使用诸如纳米颗粒、空心纳米颗粒、纤维、纳米纤维等填料，从本质上讲，这些附加填料的整合目标是不同的，例如，空心颗粒会形成多孔陶瓷体；金属纤维会增加陶瓷体的电阻，等等。在这个陶瓷体上，我们可以添加一种核心材料。也可以在陶瓷浆中添加额外的发泡剂以获得陶瓷泡沫；因此材料(1)也可以是泡沫。
在本发明中，第一孔隙率(主孔隙率)是由于本发明的新制造方法和材料(添加在陶瓷体内在烧结时燃烧并留下空隙的核心材料)；第二孔隙率是传统陶瓷泡沫可以具有的一般孔隙率。在本发明中，所有陶瓷浆料都可以制备成泡沫，但本发明的主要目的是添加一种特定的工程孔隙率，不同于随机分散在材料中的传统“空隙/气泡”。
具有大开孔的金属泡沫，使得陶瓷浆料可以完全整合，也可以作为材料(2)用于这些新材料的制造，如图4。
另一种可能性：多孔多功能陶瓷烧结后，导线、传感器、导电材料、磁性材料、软填充材料等组成的网络可以填充核心部留下的空隙。任何材料都可用于填充孔隙率，具体取决于目标应用。
在这种的情况下，胞的空壁也可以简单地涂上例如导电材料。用这种方法可以在陶瓷中制备周期性波导。新材料可以是层状系统的一部分，也可以是核心材料，如图13。
以下示例的范围是证明权利要求1、4的材料是可能的，并且可以使用权利要求9中的方法获得。不同样品的特定材料特性不同，这取决于陶瓷耐火粉末和核心材、核心形状和尺寸、核心壁厚度等。在每个样品中，核心或陶瓷成分都不同，同时还对不同的烧结温度进行了实验，以确定哪种烧结温度可以制备出最佳的材料。总之，应仔细选择烧结坡道和烧结温度，以获得预期的结果。一个关键因素是，核心的燃烧应该缓慢完成，以免破坏内部材料结构的稳定性。
所描述的所有例子都成功地制造了这些材料，如图18所示。图18A中，LTCC样品有5％粉煤灰没有核心材，烧结温度800℃，烧结过程应首先在无核心一样的样品上进行。图18B 中，样品有圆形蜂窝塑料核心集成在LTCC浆料中，为干燥步骤后所得样品。图18C中，第二样品有蜂窝核心，烧结后，保持多孔周期结构。图18D中，第二个样品有同样的蜂窝核心可是，当烧结温度和/或空心球数量过高时，多孔核心部分会被陶瓷材料填充。图18E中，为图18B的样品烧结后，保持多孔周期结构。具体的形态细节和物理性能可以用标准方法测试。
现结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种具有周期性多孔孔隙的超轻玻璃泡沫的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC，主要为Al、Si、B\主要存在氧化铝、硼、二氧化硅，也可能加上镁、钴、镍或硒)；
核心材料：圆形单元胞的PP(聚丙烯)核心；
制备了乙醇(C2H6O)和甲乙酮(MEK)质量比为70:30的溶液，并将两者混合。将烧结温度在800～900℃的低温烧结陶瓷混合粉(LTCC，主要为Al、Si、B\主要存在氧化铝、硼、二氧化硅，也可能加上镁、钴、镍或硒)分两步加入：先加入31.35g粉末混合，再加入 187.44g混合。在108.48g乙醇/MEK溶液中制备了218.79g粉末。
在第一种化合物中，在溶液中加入10.76g PVB(聚丁醛C8H14O2)。该溶液含有25份PVB， 125份(MEK/乙醇溶液)。通常，在这些实验中，PVB在整个耐火粉末系统中的重量变化在 1％到5％之间。然后在混合物中加入2.5g的粉煤灰微球(也称为ceno微球)。然后对直径为 5cm的塑料圆形模具内壁涂上润滑脂，并将陶瓷浆倒入其中。陶瓷浆料试样在模具中的最终重量为57.79g。然后添加一个带有圆形单元胞的PP(聚丙烯)核心。核心材料的厚度小于陶瓷浆的总厚度，因此完全融入其中。把陶瓷浆晾干。干燥后，将陶瓷浆压缩，使粉末高度堆积。核心材的厚度不会影响压缩过程。在这一步之后，烧结包括：
1.在5℃/min的速度(1小时)内，升温到300℃，以除去粘合剂和陶瓷浆中的添加剂产生的气体，这些添加剂有助于混合/使均匀陶瓷浆；
2. 300℃稳定1小时，便于清除陶瓷体内的气体，并缓慢燃烧核心材；
3. 5℃/min的速度升温至500℃，以充分燃烧核心材；
4. 500℃稳定1小时，有助于清除来自核心的气体；
5. 5℃/min升温至800℃(1小时)，陶瓷体变成坚硬的固体材料
6. 800℃，陶瓷结构固化2小时。
由于粉煤灰颗粒的存在，产生的材料具有二级孔隙度，第一级是由于核心细胞壁留下的周期性空隙，第二级是由于集成的空心微球材料的内部性质，最终的产品是一个具有周期性多孔孔隙的超轻的玻璃泡沫。
实施例2
一种蜂窝多孔性的致密玻璃(LTCC陶瓷)的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：蜂窝单元胞的环氧树脂核心；
20g LTCC玻璃粉、2％PAA、70:30的乙醇和MEK溶液(2％PVB)，混合。
将陶瓷粉、分散剂和其他填料在获得一定均匀水性稠度时，加入蜂窝核心。将陶瓷浆晾干，然后压缩。烧结工艺：
1. 5℃/min，4小时内达到50％的烧结温度(400℃)，燃烧核心与去除气体；
2.在500℃下保持1小时的稳定温度，除去样品内的所有气体；
3.上升到800℃，3小时内达到最终温度；
4.在800℃下稳定2小时，然后冷却。
得到了具有蜂窝多孔性的致密玻璃。
实施例3
一种具有蜂窝多孔致密玻璃(LTCC陶瓷)的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：蜂窝单元胞的聚碳酸酯核心；
20g LTCC玻璃粉、2％PAA、5g粉煤灰加入70:30的乙醇和MEK溶液(2％PVB)中，混合。在获得一定均匀水性稠度时，加入聚碳酸酯蜂窝核心。将陶瓷浆晾干，然后压缩。核心材对压缩过程没有影响。烧结工艺：
1. 5℃/min，4小时内达到50％的烧结温度(400℃)，燃烧核心与去除气体；
2.在500℃下保持1小时的稳定温度，除去样品内的所有气体；
3.上升到800℃，3小时内达到最终温度；
4.在800℃下稳定2小时，然后冷却。
最终得到的是一个具有蜂窝多孔结构的致密样品。
实施例4
一种周期性孔隙率的超轻陶瓷泡沫的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：圆孔单元胞的聚丙烯(PP)核心；
20g的LTCC在700℃下烧结，2％的PAA；
75:25乙醇/MEK溶液中PVB占2％；
混合物中加入2.5g 3M K1玻璃微珠。聚丙烯(PP)圆孔核心的集成；陶瓷浆晾干，压缩。
烧结：
1. 3小时5.5℃/min至400℃；
2.在400℃下稳定1小时；
3.在2小时时间内达到650℃，2℃/min；
4.在650℃下稳定2小时，然后冷却。
其结果是具有周期性孔隙率的超轻陶瓷泡沫。
实施例5
一种周期性蜂窝状孔隙玻璃样品的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：蜂窝单元胞的聚碳酸酯核心；
20g LTCC玻璃粉、2％PAA、70:30的乙醇和MEK溶液(2％PVB)，混合。聚碳酸酯蜂窝核心的集成。陶瓷浆晾干，压缩。烧结：
1. 2.5℃/min至300℃，核心材燃烧；
2.在300℃下稳定3小时；
3.在2小时内达到700℃，3.3℃/min；
4.在700℃下稳定1小时，然后冷却。
样品呈周期性蜂窝状孔隙。
实施例6
一种致密的具有坚硬的周期结构的超轻陶瓷的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：蜂窝孔铝核心；
20克LTCC玻璃粉末；PAA2％；75:25份乙醇/MEK溶液中PVB占2％；3g粉煤灰；混合；铝核心集成。陶瓷浆晾干，压缩。
烧结：
1. 2小时至300℃；
2.在300℃下稳定3小时；
3.在2小时内升到550℃；
4.在550℃下稳定1小时，然后冷却。
样品是一种致密的具有坚硬的周期结构的超轻陶瓷。
实施例7
一种致密的具有坚硬的周期结构的超轻陶瓷的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：蜂窝孔铝核心；
20克LTCC玻璃粉末；PAA2％；75:25份乙醇/MEK溶液中PVB占2％；3g粉煤灰；混合；
铝核心集成。陶瓷浆晾干，压缩。
烧结：
1. 3小时升温至300℃；
2. 300℃稳定3小时；
3.在2小时内升至600℃；
4.在600℃下稳定2小时，然后冷却。
结果与例6相同。所有这些材料的不同性能都需要测试和测量。
实施例8
一种致密的具有坚硬的周期结构的超轻陶瓷的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：3D打印蜂窝孔铜核心；
20克LTCC玻璃粉末；PAA2％；75:25份乙醇/MEK溶液中PVB占2％；3g粉煤灰；混合；
铜核心集成。陶瓷浆晾干，压缩。
烧结：
1. 3小时升温至300℃；
2. 300℃稳定3小时；
3.在2小时内升至800℃；
4.在800℃下稳定2小时，然后冷却。
所有这些材料的不同性能都需要测试和测量。结果是坚硬的周期结构的超轻陶瓷
实施例9
一种非周期性的超轻陶瓷泡沫的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：铝金属泡沫，孔径2-5mm；
20g的LTCC在650℃下烧结，2％的PAA；
75:25乙醇/MEK溶液中PVB占2％；
混合物中加入2.5g 3M K1玻璃微珠。铝金属泡沫核心的集成；陶瓷浆晾干，压缩。
烧结：
1. 3小时5℃/min至300℃；
2.在300℃下稳定1小时；
3.在2小时时间内达到600℃，2℃/min；
4.在600℃下稳定2小时，然后冷却。
其结果是具有非周期性填充的超轻陶瓷泡沫。
实施例10
一种非周期性的超轻陶瓷泡沫的制备方法：
陶瓷粉末成分：低温烧结陶瓷混合粉(LTCC)；
核心材料：铝金属泡沫，孔径2-5mm；
20g的LTCC在660℃下烧结，2％的PAA；
75:25乙醇/MEK溶液中PVB占2％；
混合物中加入2.5g 3M K1玻璃微珠。铝金属泡沫核心的集成；陶瓷浆晾干，压缩。
烧结：
1. 3小时5.5℃/min至400℃；
2.在400℃下稳定1小时；
3.在2小时时间内达到600℃，2℃/min；
4.在600℃下稳定2小时，然后冷却。
其结果是具有非周期性孔隙率的超轻陶瓷泡沫。
这些实验是为了证明权利要求1、4所述的新材料可以通过应用权利要求9所述的原理和制造方法来实现。
本发明不限制制成权利要求1、4所述材料的制备方法，也不限制可以获得的、其特征与权利要求1、4所述周期性胞状结构或随机宏观结构核相似的不同功能陶瓷。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变动。
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