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中国香港吕坚教授科研团队首次实现陶瓷4D打印
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日期:2018-08-21

吕坚团队.jpg

吕坚团队


8月17日发表在新一期美国《科学进展》杂志上的研究显示,中国香港城市大学吕坚教授研究组首次实现了陶瓷4D打印。这种新技术有望应用于太空探索、电子产品和航空发动机制造等领域。4D打印,就是在3D打印基础上增加了时间维度。4D打印直接将设计内置到物料当中,让材料在设定的时间自动变形为所需要的形状,且可随时间变化。与3D打印相比,4D打印对材料有更高要求。 


打印出来的宛如悉尼歌剧院的陶瓷产品.jpg

打印出来的宛如悉尼歌剧院的陶瓷产品 

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吕坚研究组的这种打印技术采用复合弹性体陶瓷材料,完成了从3D打印到结构可变形的过程,实现了陶瓷折纸结构的打印和4D陶瓷打印。他们采用成本较为低廉的“墨水直写技术”,用二氧化锆纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷复合材料,构建出3D弹性体结构。这种结构柔软且具有弹性,可拉伸至超过本身3倍的长度,并可使用金属丝让其折叠变形,形成蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、裙子等折纸结构。


研究人员利用这种柔性特质设计出一种自动拉伸装置,让3D弹性体结构的基底拉伸产生预应力,在其上面打印出主结构。当预应力释放后,主结构就会发生变形,从而形成4D打印所需的弹性体结构,热处理后可转化为4D陶瓷。


吕坚说,这种4D打印技术可广泛应用于个性化定制,优势在于采用相对简单的图纸设计,就可衍生出一系列形状相似且连续可变的结构,而传统的3D打印只能一个图纸对应一个结构。


此外,4D陶瓷热处理只需1000摄氏度即可完成,而传统陶瓷粉末烧结则需要1600摄氏度,因此4D打印工艺成本相对低廉。研究人员认为,如将新技术应用于太空探索领域,有望将3D打印前驱体折叠起来以节省空间,进入太空后再展开获得需要的结构。


这种4D打印结合了3D打印、自变形组装和弹性体衍生陶瓷,在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应环境变化能力上实现了突破,有望广泛应用在太空探索、3C电子产品、航空发动机、防弹军事装备和高温微机电系统等领域中。4D打印一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度,使得在一定刺激(比如热、水、磁场、电流、紫外线等)下,3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中,包括水凝胶、形状记忆聚合物等。之前报道的可以3D打印的陶瓷前驱体材料通常较难发生自变形,限制了陶瓷4D打印的发展。


在打印陶瓷折纸结构的基础上,他们还开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。方法一是采用可编程自动双轴拉伸装置,通过释放基底中的预应力,使主结构发生屈曲变形,与基底一起形成4D打印的弹性体结构,热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。在方法二中,陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上,然后预应力被释放时,前驱体发生4D变形,经热处理得到4D打印陶瓷结构。


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