In the past half century, silicon-based microelectronics and optical fiber communication have triggered a far-reaching information technology revolution, which has moved human society into a high-speed information age. The demand for communication capacity and speed is growing exponentially. On the other hand, data center and high-performance computing are facing bottlenecks of speed, bandwidth, and energy consumption of electrical interconnections. Siliconbased optoelectronics has become the key technology to break through these bottlenecks. Thanks to the advantages of high refractive index, capable in small active components, and CMOS compatible process, silicon can achieve a largescale optoelectronic integration on a micro-chip with low cost and low energy consumption. This has become a hot alternative for the chip industry. In addition, silicon-based optoelectronics has enabled a series of new study fields such as mid-infrared communication, microwave optoelectronics, lab-on-chip, quantum communication, optoelectronic computing, and chip scale lidar.

近年来, 我国科研人员在医学材料的合理设计、制备、功能化修饰、理化机理探索以及生物医学应用等方面做出了许多代表性工作。为集中展示我国科学家在材料医学领域的最新研究成果, 激发社会各界对材料医学和医学材料的兴趣, 《无机材料学报》编辑部邀请上海大学陈雨教授担任特邀编辑, 以“医学材料”为主题出版专辑。本专辑收录了医学材料的最新综述文章和研究论文, 涉及压电半导体纳米材料、VA族单元素二维纳米材料、生物活性玻璃陶瓷、金属合金和氧化硅基杂化胶束等。希望本专辑能够抛砖引玉, 促进来自不同领域、不同学科背景的研究人员的合作, 共同推动材料医学这一新兴学科的发展, 以期改变和优化临床医学对各种疾病的诊断和治疗方式, 造福人类。

陶瓷, 是一种历史悠久且应用广泛的无机非金属材料, 在人类文明进程中扮演着至关重要的角色。如今, 陶瓷因其优异的物理和化学性能得到大量的研究和使用, 结构和功能属性复杂的先进陶瓷材料尤其在机械电子、能源环保、航空航天、生物医疗等高新技术领域占据不可或缺的地位。然而, 陶瓷材料固有的高硬度和高脆性, 使得在制造高度复杂的三维空间形状或定制化结构与功能产品的时候, 传统的模具成形和加工技术往往面临难度高、周期长的技术局限。 增材制造的出现则为突破上述局限提供了全新思路。增材制造技术最早被称为无模制造或快速原型技术, 直到21世纪才日渐普及并通称为3D打印技术。美国在20世纪80年代发明的适用于有机树脂溶液的“立体光刻-Stereolithography (SL)”光固化增材制造技术, 和90年代诞生于德国适用于金属粉末的“选区激光熔化-Selective Laser Melting (SLM)”增材制造技术是具有划时代意义且最具代表性的增材制造技术。国际上已经开发了十余种应用于各类材料的增材制造技术。与有机材料和金属材料相比, 一般陶瓷材料的物理和化学活性较低且熔点较高, 因此部分用于有机和金属材料的增材制造工艺无法直接用于陶瓷增材制造。尽管如此, 目前已知的大部分陶瓷增材制造技术仍源自有机材料和金属材料增材制造技术, 导致陶瓷材料的增材制造发展困难, 且发展历史也相对短暂。增材制造在制造高度复杂结构时所展示的独特灵活性, 以及组织与功能的定制化优势, 让国内外研究人员趋之若鹜, 纷纷投身于陶瓷材料增材制造及其应用研究当中。 近年来, 我国在陶瓷增材制造领域涌现出许多优秀的研究团队与企业。根据2021年7月由深圳大学陈张伟教授等学者创办的“第一届中国陶瓷增材制造前沿科学家论坛(FAME2021)”的初步统计, 目前我国已有超过60所专门从事陶瓷增材制造与应用探索研究的科研院所, 而发展和制造与陶瓷增材制造技术相关的材料、打印工艺装备以及后处理工艺装备的生产商则超过了20家。目前, 产学界以陶瓷粉末和树脂或黏接剂混合的浆料进行光固化, 以SL和数字光处理(Digital Light Processing, DLP)或墨水直写(Direct Ink Writing, DIW)增材制造工艺的研究占绝大多数。除此以外, 其他研究则以激光选区烧结(Selective Laser Sintering, SLS)和激光定向能量沉积(Laser Directed Energy Deposition, LDED)等采用陶瓷混合粉末及高功率激光的工艺进行直接增材制造为主。在陶瓷材料种类方面, 大部分学者围绕氧化物陶瓷材料, 如SiO₂、ZrO₂、Al₂O₃及其混合或复相材料, 以及PZT、BTO、TCP等先进陶瓷材料开展研究。主要应用方向包括承重组件或功能性部件, 如催化载体、铸型、隔热、压电、传感、人工骨、齿科、超高温部件、精密光学件等。而近年来研究人员也纷纷面向结构功能一体化部件, 围绕非氧化物陶瓷如SiC、Si₃N₄、AlN, 甚至更为复杂、可生成多元陶瓷的聚合物前驱体转化陶瓷(Polymer-Derived Ceramics, PDCs)体系等进行增材制造工艺研究, 并取得突出进展。 总体而言, 陶瓷增材制造过程是以陶瓷基材料为“墨”, 以光能、机械能、热能等能源为“笔”, 就如同中国神话故事“神笔马良”一样“画出”各种结构功能一体化的复杂陶瓷器件。值得注意的是, “神笔马良”最终练就的是“所画即所得”的效果。笔者认为, 这恰恰就是增材制造或3D打印追求的终极目标, 即“所打(印)即所得”。当然, 在陶瓷增材制造领域实现“所打即所得”还需要克服诸多挑战。由于陶瓷具有纷繁复杂的材料性质, 在采用各类方法进行增材制造的过程中均涉及材料体系的制备、成形工艺的适配、热处理或后处理工艺的优化等问题。正因如此, 在用于成形制造、变形和缺陷抑制、组织和性能调控等方面的材料选取及控制上均需要予以细致全面的考虑和权衡。 2021年下半年, 在FAME2021大会召开之际, 《无机材料学报》编辑部邀请香港城市大学吕坚院士和深圳大学陈张伟教授担任特邀编辑, 以“无机材料增材制造”为主题组织征稿并制作专辑, 华中科技大学吴甲民副教授亦参与了这次专辑的组织工作。本专辑收录了我国部分陶瓷增材制造的最新研究成果和综述文章, 体现了我国陶瓷增材制造研究的前沿进展。由于时间和篇幅所限, 还有一些优秀的研究未能及时收录在本专辑中。希望本专辑能够抛砖引玉, 为促进我国陶瓷增材制造研究与应用发展提供有益参考。我们相信在全球学者的不懈努力和推动下, 聚能为笔, 化陶成墨, 陶瓷增材制造一定能够镌刻神笔马良新篇章, 完成从“聚沙成塔”的工艺工程研究到“点石成金”的高附加值普及应用的飞跃。