中國香港呂堅教授科研團隊首次實現(xiàn)陶瓷4D打印

據(jù)南極熊了解，8月17日發(fā)表在新一期美國《科學進展》雜志上的研究顯示，中國香港城市大學呂堅教授研究組首次實現(xiàn)了陶瓷4D打印。這種新技術(shù)有望應用于太空探索、電子產(chǎn)品和航空發(fā)動機制造等領(lǐng)域。4D打印，就是在3D打印基礎(chǔ)上增加了時間維度。4D打印直接將設計內(nèi)置到物料當中，讓材料在設定的時間自動變形為所需要的形狀，且可隨時間變化。與3D打印相比，4D打印對材料有更高要求。此前大多采用水凝膠等聚合物作為4D打印“墨水”，但水凝膠聚合物應用范圍有限。陶瓷前驅(qū)體材料應用廣泛，但較難發(fā)生自變形，限制了其在4D打印中的發(fā)展。

呂堅研究組的這種打印技術(shù)采用復合彈性體陶瓷材料，完成了從3D打印到結(jié)構(gòu)可變形的過程，實現(xiàn)了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的打印和4D陶瓷打印。他們采用成本較為低廉的“墨水直寫技術(shù)”，用二氧化鋯納米顆粒摻雜的聚二甲基硅氧烷復合材料，構(gòu)建出3D彈性體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)柔軟且具有彈性，可拉伸至超過本身3倍的長度，并可使用金屬絲讓其折疊變形，形成蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰、裙子等折紙結(jié)構(gòu)。

研究人員利用這種柔性特質(zhì)設計出一種自動拉伸裝置，讓3D彈性體結(jié)構(gòu)的基底拉伸產(chǎn)生預應力，在其上面打印出主結(jié)構(gòu)。當預應力釋放后，主結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變形，從而形成4D打印所需的彈性體結(jié)構(gòu)，熱處理后可轉(zhuǎn)化為4D陶瓷。接著他們實現(xiàn)了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)。3D打印的彈性體結(jié)構(gòu)可以在金屬絲的輔助下折疊變形，經(jīng)過熱處理彈性體轉(zhuǎn)化為陶瓷，然后金屬絲被硝酸銷蝕掉，最只剩下陶瓷結(jié)構(gòu)。

呂堅說，這種4D打印技術(shù)可廣泛應用于個性化定制，優(yōu)勢在于采用相對簡單的圖紙設計，就可衍生出一系列形狀相似且連續(xù)可變的結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的3D打印只能一個圖紙對應一個結(jié)構(gòu)。

此外，4D陶瓷熱處理只需1000攝氏度即可完成，而傳統(tǒng)陶瓷粉末燒結(jié)則需要1600攝氏度，因此4D打印工藝成本相對低廉。研究人員認為，如將新技術(shù)應用于太空探索領(lǐng)域，有望將3D打印前驅(qū)體折疊起來以節(jié)省空間，進入太空后再展開獲得需要的結(jié)構(gòu)。

這種4D打印結(jié)合了3D打印、自變形組裝和彈性體衍生陶瓷，在大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀復雜程度、機械強度、制造成本和適應環(huán)境變化能力上實現(xiàn)了突破，有望廣泛應用在太空探索、3C電子產(chǎn)品、航空發(fā)動機、防彈軍事裝備和高溫微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域中。4D打印一般是指在3D打印的基礎(chǔ)上增加一個時間維度，使得在一定刺激（比如熱、水、磁場、電流、紫外線等）下，3D打印物體的形狀和功能隨著時間發(fā)生可編程變化。4D打印技術(shù)之前大都應用在聚合物材料中，包括水凝膠、形狀記憶聚合物等。之前報道的可以3D打印的陶瓷前驅(qū)體材料通常較難發(fā)生自變形，限制了陶瓷4D打印的發(fā)展。

A.3D打印彈性體。B.墨水直寫打印。C.3D打印的彈性體衍生的陶瓷折紙結(jié)構(gòu)。D~E.兩種自變形組裝4D打印陶瓷方法（方法1(D)和方法2(E))。F~G.4D打印彈性體陶瓷。

在打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，他們還開發(fā)了兩種自變形組裝的方法來實現(xiàn)4D打印陶瓷。方法一是采用可編程自動雙軸拉伸裝置，通過釋放基底中的預應力，使主結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形，與基底一起形成4D打印的彈性體結(jié)構(gòu)，熱處理后進而形成4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)。在方法二中，陶瓷前驅(qū)體墨水按照設計好的紋路被打印在預拉伸的陶瓷前驅(qū)體上，然后預應力被釋放時，前驅(qū)體發(fā)生4D變形，經(jīng)熱處理得到4D打印陶瓷結(jié)構(gòu)。

這一成果論文今天發(fā)表在Science Advances上，文章的第一作者是劉果博士，第二作者是趙巖博士，第三作者是吳戈博士，通訊作者是呂堅教授。所有作者均來自香港城市大學呂堅教授研究組。

呂堅教授簡介：

呂堅教授現(xiàn)任香港城市大學（研究及科技）副校長及研究生院院長，機械工程學院講座教授，先進結(jié)構(gòu)材料研究中心主任，香港工程科學院院士，法國國家技術(shù)科學院士。2006年及2017年曾兩次獲得由法國總統(tǒng)親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”，2018年獲得“中國工程界最高獎”第十二屆光華工程科技獎。呂堅教授的研究方向涉及先進納米結(jié)構(gòu)材料的制備和力學性能，實驗力學，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學，航空航天材料與結(jié)構(gòu)預應力工程，3D打印先進材料與產(chǎn)品集成設計等。

論文鏈接
http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641

來源：新華社&香港城市大學