【3D方興4D又至！香港團(tuán)隊(duì)首次4D打印陶瓷 或成航天發(fā)動機(jī)新材料】3D打印的創(chuàng)新潮流還沒鋪開，4D打印技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)了。近日，香港城市大學(xué)研究小組在材料研究方面取得了突破性進(jìn)展，成功開發(fā)出世界上首個(gè)4D陶瓷打印技術(shù)，打印出的成品在形狀復(fù)雜的同時(shí)，還維持了很高的機(jī)械強(qiáng)度，這將為陶瓷的結(jié)構(gòu)應(yīng)用翻開新的一頁。

3D方興4D又至！香港團(tuán)隊(duì)首次4D打印陶瓷或成航天發(fā)動機(jī)新材料

陶瓷的熔點(diǎn)很高，因此，傳統(tǒng)的激光打印在這上面無能為力，而采用現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，因?yàn)樘沾汕绑w通常難以變形，也無法生產(chǎn)形狀復(fù)雜的物件。為了克服這些挑戰(zhàn)，城大團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的“陶瓷油墨”，將聚合物和納米陶瓷顆?；旌?。用這種新型油墨打印出的三維陶瓷，前體柔軟，可以拉伸至原來的3倍長度。有了可彎曲、可拉伸前體，就能通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，制成形狀?fù)雜的陶瓷成品。

該團(tuán)隊(duì)由城大機(jī)械工程講座教授盧建(音)領(lǐng)導(dǎo)，作為一位杰出的材料科學(xué)家，他從事的是從制造納米材料和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料到表面工程計(jì)算模擬的研究。本次在彈性前體上的進(jìn)展，意味著研究團(tuán)隊(duì)研究的2種4D陶瓷打印方法取得了新的突破。

所謂“4D打印”，就是讓傳統(tǒng)的3-D打印，結(jié)合額外第四維元素——時(shí)間的技術(shù)。通過3D打印打印出前體后，它會隨著時(shí)間推移，在外部刺激，如機(jī)械力、溫度或磁場的作用下，重新塑造成獨(dú)特的形狀。在這項(xiàng)研究中，研究小組利用的，就是前體在拉伸過程中儲存的彈性能量。當(dāng)拉伸過的陶瓷前體被打印出來后，它們就會自我重塑。再經(jīng)過熱處理，前體即成型為陶瓷。

合成的彈性材料陶瓷具有相當(dāng)高的機(jī)械強(qiáng)度。它們具有高的抗壓強(qiáng)度-密度比(在1.6gcm-3微晶格上為547MPa)，與其他3D打印陶瓷相比，它們在尺寸增大的同時(shí)，還保留了較高強(qiáng)度。

“整個(gè)過程聽起來很簡單，但事實(shí)并非如此，”盧教授說，“從油墨的制造到印刷系統(tǒng)的開發(fā)，我們嘗試了多次多種不同的方法。就像擠壓蛋糕上的糖霜一樣，從奶油的類型和噴嘴的大小，到擠壓的速度和力度，以及溫度，有很多因素會影響結(jié)果?！?/p>

在他們試驗(yàn)第一種打印方法中，首先用新型油墨3D打印出了陶瓷前體和基體，再用雙軸拉伸裝置拉伸基體，在基體上打印連接前體的接頭，然后將前體放置在拉伸的基體上。隨著時(shí)間推移，在計(jì)算機(jī)編程控制和拉伸基體的回彈下，材料逐漸向設(shè)計(jì)中的形狀成型。

而在第二種方法中，他們設(shè)計(jì)的圖案直接打印成陶瓷前體，然后在計(jì)算機(jī)程序控制下變形。

這項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)表在最新一期的頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》(ScienceAdvances)上，題為“彈性材料陶瓷結(jié)構(gòu)的制作與4D打印”。研究團(tuán)隊(duì)成員均來自香港城市大學(xué)，包括研究助理劉國(音)博士、高級研究員趙巖(音)博士、研究員吳歌(音)博士。

盧教授說:“4D打印的陶瓷前體具有良好的變形能力，應(yīng)用范圍非常廣泛。其中一個(gè)應(yīng)用方向是電子學(xué)，陶瓷材料在傳輸電磁信號方面比金屬材料有更好的性能。隨著5G時(shí)代的到來，陶瓷制品將在電子產(chǎn)品的中扮演更加重要的角色。陶瓷的藝術(shù)性和形成復(fù)雜形狀的能力也為消費(fèi)者定制的陶瓷手機(jī)背板提供了可能。”

此外，這一技術(shù)更宏遠(yuǎn)的前途是應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。盧教授表示：“由于陶瓷是一種能承受高溫，且機(jī)械強(qiáng)度高的材料，這種4D打印陶瓷在制作航空航天推進(jìn)器部件上，有很大潛力?！?/p>

隨著在材料技術(shù)和4D打印技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步下，盧教授表示，他們下一步目標(biāo)是提高材料的機(jī)械性能，比如提高其韌性。