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香港城市大學(xué)呂堅教授研究組全球首次實(shí)現(xiàn)了陶瓷的4D打印。8月17日，相關(guān)研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”為題發(fā)表在Science Advances上。這種4D打印結(jié)合了3D打印，自變形組裝（Self-shaping assembly），和彈性體衍生陶瓷（Elastomer-derived ceramics，EDCs），在大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜程度，機(jī)械強(qiáng)度，制造成本，和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力上實(shí)現(xiàn)了突破，有望廣泛應(yīng)用在太空探索，3C電子產(chǎn)品，航空發(fā)動機(jī)，防彈軍事裝備，和高溫微機(jī)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（譬如熱，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(yīng)用在聚合物材料中，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。

     鑒于此，呂堅教授研究組從材料出發(fā)，開發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體。這些彈性體材料的特性使其可以完成從3D打印到變形的過程，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu)，從而逐步實(shí)現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)和4D打印陶瓷。

3D打印陶瓷

      在此次研究中，他們先實(shí)現(xiàn)了3D打印陶瓷。他們采用了墨水直寫打?。―irect ink writing）這種成本較為低廉的打印方式，構(gòu)建彈性體3D結(jié)構(gòu)，然后在氬氣或真空中進(jìn)行熱處理，得到一級陶瓷，然后在空氣中進(jìn)行熱處理，進(jìn)而得到二級陶瓷。開發(fā)這兩級陶瓷可以豐富材料的外觀，譬如這里一級陶瓷是黑色的，而二級陶瓷是白色的。

      3D打印出的陶瓷前驅(qū)體不僅是軟的，而且具有彈性，可以拉伸至超過3倍于材料本身的長度，這為4D打印提供了自變形組裝的可能。

打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)

     然后他們實(shí)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，然后金屬絲可以被硝酸銷蝕掉，最后只剩下陶瓷結(jié)構(gòu)。他們由此構(gòu)建了復(fù)雜陶瓷折紙結(jié)構(gòu)，包括蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰、和裙子。

4D打印陶瓷：方法一

      在方法一中，他們設(shè)計制造了可編程自動雙軸拉伸裝置，將3D打印的基底在兩個方向進(jìn)行預(yù)拉伸，拉伸的速度由電機(jī)編程控制。在拉伸狀態(tài)下的基底上打印設(shè)計好的連接點(diǎn)，用于連接基底和其上的3D打印得到的主結(jié)構(gòu)。等連接點(diǎn)固化后，在電機(jī)控制下釋放基底中的預(yù)應(yīng)力，主結(jié)構(gòu)就會發(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(jìn)而形成4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)。他們由此構(gòu)建了經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三浦折疊。

4D打印陶瓷：方法二

     在方法二中，陶瓷前驅(qū)體墨水按照設(shè)計好的紋路被打印在預(yù)拉伸的陶瓷前驅(qū)體上，然后預(yù)應(yīng)力被釋放時，就會發(fā)生4D變形。

     他們以幾個有代表性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為例子，其中包括彎曲，螺旋，和馬鞍面。陶瓷前驅(qū)體上的變形，可以通過在其表面所打印的紋路參數(shù)來編程設(shè)計，譬如紋路的疏密程度，與拉伸方向的夾角等。

優(yōu)點(diǎn)一：

      當(dāng)需要制造一系列相似形狀的陶瓷時，這種4D打印的概念就會體現(xiàn)出時間上的高效。因?yàn)橹恍枰粋€相對簡單的圖紙設(shè)計，就可以衍生出一系列的形狀上相似且連續(xù)可變的結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的3D打印只能一個圖紙設(shè)計對應(yīng)一個結(jié)構(gòu)。這個優(yōu)點(diǎn)所帶來的在時間成本上的突破，將會在定制設(shè)計上體現(xiàn)得尤其明顯。

優(yōu)點(diǎn)二：

     此次研究提出了“3D打印彈性體-自變形-陶瓷化”的4D打印陶瓷的概念，并舉了兩種自變形方法作為例子。這種概念可以有更廣泛的變體和應(yīng)用，譬如引入形狀記憶變形等。這種4D打印方法上的多樣性，可以為設(shè)計制造用其他方法很難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)提供巨大的自由度。下圖是他們打印的陶瓷手機(jī)背板，其技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)個性化定制，有望應(yīng)用在包括手機(jī)背板和中框，手表的表殼表圈表鏈等3C產(chǎn)業(yè)中。

優(yōu)點(diǎn)三：

      作為陶瓷前驅(qū)體的彈性體具有強(qiáng)變形能力，可以提高結(jié)構(gòu)材料適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驅(qū)體可以在地面被折疊以節(jié)省空間，然后到太空后展開為需要的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為陶瓷后，這些4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)可以被用來做耐熱結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)四：

      相較于陶瓷增材制造的其他方法，此次研究中開發(fā)的“墨水直寫陶瓷前驅(qū)體+熱處理陶瓷化”工藝成本相對低廉，因?yàn)檫@種方法不需要3D光刻法所要求的相對昂貴的激光或者紫外光能源，也不需要一般陶瓷粉末燒結(jié)所要求的超高溫度（對于SiC和Si3N4，一般粉末燒結(jié)溫度要超過1600°C，而此工作中熱處理1000 °C即可陶瓷化）。

     在此次研究中提出的“3D打印彈性體-自變形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，用于陶瓷前驅(qū)體的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合材料可以進(jìn)一步推廣到其他兩相或多相材料統(tǒng)中，這種方法開辟了做復(fù)雜形狀的高溫合金和陶瓷等高溫難熔材料的一個新工藝，有望用在航空發(fā)動機(jī)上?？傊@個工作在研發(fā)復(fù)雜形狀的輕質(zhì)高強(qiáng)大尺度的結(jié)構(gòu)陶瓷上取得了一定突破，其在高溫材料相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用值得期待。

責(zé)任編輯：蘇曉薇