陶瓷4D打印新進展！奇遇科技團隊實現(xiàn)復雜陶瓷結構的4D打印

南極熊導讀:近年來，4D打印相關研究一直吸引著增材制造及材料領域的密切關注，所謂 “4D打印”可以簡單的理解為“3D打印+時間”：由3D技術打印出來的結構能夠在外界激勵下隨著時間發(fā)生形狀或者結構的改變。

南極熊獲悉，深圳奇遇科技有限公司聯(lián)合清華大學深圳研究生院和佛山（華南）新材料研究院，提出并成功實現(xiàn)了復雜陶瓷結構的4D打印策略，通過精確調整陶瓷材料的固含量和打印路徑，實現(xiàn)了陶瓷結構的可控形狀變形。相關研究成果以“4D printing of ceramic structures”為題發(fā)表于國際期刊《Additive Manufacturing》。奇遇科技團隊王鋒博士和中國科學技術大學材料科學與工程學院Chenchen Liu為共同一作，清華大學深圳研究生院和佛山（華南）新材料研究院作為通訊作者單位，該研究所采用的陶瓷漿料及精細直寫3D打印設備均由深圳奇遇科技有限公司提供。

4D打印實現(xiàn)了3D打印的可控形狀變形，并使復雜形狀設計的多種可能性成為可能。然而，4D打印通常是應用于容易變形的軟材料。而陶瓷本質上是硬而脆的，這阻礙了其在4D打印中的發(fā)展。本研究利用打印陶瓷在燒結過程中的應力不匹配，實現(xiàn)了陶瓷結構的4D打印。一般來說，3D打印陶瓷體燒結后的收縮率與所用陶瓷材料的固體含量成反比。奇遇科技團隊通過打印底層高固含量、頂層低固含量的雙層氧化鋯(ZrO2)陶瓷，令其燒結收縮率的內應力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致，實現(xiàn)其形狀由平面變?yōu)閺澢�結構。在這一過程中，研究人員通過選擇不同的打印工藝來定制陶瓷結構的形狀變形行為。最后，通過對陶瓷材料的固含量和打印路徑進行編程，實現(xiàn)了具有各種特性的4d打印陶瓷花朵。

研究內容解讀
奇遇科技團隊提出了實現(xiàn)復雜陶瓷結構的4D打印策略。直寫(Direct ink writing, DIW)技術已成功應用于液晶彈性體、磁性元件、水凝膠、形狀記憶聚合物等的4D打印。本文采用DIW技術制備了雙層陶瓷片，通過對雙層ZrO2陶瓷材料的固體含量和打印路徑進行編程，實現(xiàn)了燒結收縮率的內應力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致。與目前用于生產復雜形狀陶瓷的傳統(tǒng)工藝相比，奇遇科技團隊所提出的4D打印工藝使我們能夠自下而上地打印陶瓷結構。


在近期研究中，為實現(xiàn)陶瓷領域的新突破，奇遇科技團隊提出并研究了陶瓷結構的4D打印。研究人員首先估算了不同固含量的陶瓷材料的燒結收縮率，然后利用DIW工藝制備了雙分子層ZrO2陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)，燒結過程中雙層陶瓷的頂部和底部的收縮不匹配實現(xiàn)了其形狀的變化。從而通過燒結衍生的雙分子層自變形實現(xiàn)陶瓷的4D打印。在DIW 直寫3D打印過程中，陶瓷材料的固含量和打印路徑都會影響陶瓷的自變形過程。通過精確調整上述兩個參數(shù)，可以獲得模擬花朵幾何形狀的4D打印陶瓷結構。這一4D打印工藝為直寫-燒結工藝設計復雜陶瓷結構提供了一種可行的策略。同時，奇遇科技提出的4D打印陶瓷結構也展示了一種可編程的自變形策略，這是一種應用場景廣泛的自下而上的前沿陶瓷制造方法。

△圖1采用直寫-燒結法進行陶瓷結構的4D打印。(a)將ZrO2納米顆粒與UV樹脂按不同比例混合。(c)含有均勻分散的ZrO2納米顆粒的UV材料墨水。(d)采用雙噴嘴配備DIW技術并進行UV固化處理的陶瓷片3D打印。(e)將3D打印的陶瓷片燒結后轉化為4D打印的陶瓷結構。

△圖2陶瓷網格燒結后的流變性能和收縮率。(a)固含量為75 wt %的復合材料的彈性模量(G’)和粘彈性模量(G”)。(b)隨著ZrO2納米顆粒固相含量的增加，UV墨水中陶瓷網格的X方向收縮率降低。插圖顯示了燒結前后陶瓷晶格的幾何形狀。

△圖3燒結過程中陶瓷雙分子層的自變形。(a)以不同的路徑打印雙層陶瓷方塊。(b)燒結后雙層陶瓷方塊的形狀變化。(c)陶瓷方塊燒結前后的對比。(d)燒結后雙層陶瓷矩形的幾何形狀。(e)燒結后雙層陶瓷橢圓的幾何形狀。比例尺為10mm。

△圖4通過編程打印路徑實現(xiàn)陶瓷花朵的4D打印。(a)雙層陶瓷的頂層以不同的路徑打印。(b)燒結后各種雙層陶瓷多邊形的形狀變化。(c)燒結前后堆疊陶瓷的俯視圖。(d)燒結前后堆疊陶瓷的側視圖。

△圖5通過調節(jié)UV墨水固含量實現(xiàn)陶瓷花的4D打印。(a)燒結后各種雙層陶瓷多邊形和疊層陶瓷結構的形狀變化。(b)燒結后雙層陶瓷的微觀形貌。(c) 4D打印的陶瓷結構所模仿的花朵幾何圖形。

△圖6該示意圖顯示了燒結后的彎曲情況。(a)簡化的二維雙分子層陶瓷體系。(b) 代表本工作中DIW打印樣品的簡化2D系統(tǒng)。