香港城市大学吕坚教授组研发陶瓷4D打印技术(2)
优点二:
此次研究提出了“3D 打印弹性体-自变形-陶瓷化”的 4D 打印陶瓷的概念，并举了两种自变 形方法作为例子。这种概念可以有更广泛的变体和应用，譬如引入形状记忆变形等。这种4D 打印方法上的多样性，可以为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供巨大 的自由度。下图是他们打印的陶瓷手机背板，其技术较易实现个性化定制，有望应用在包括手机背板和中框，手表的表壳表圈表链等 3C 产业中。
优点三:
作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力，可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力， 譬如太空探索。3D 打印的前驱体可以在地面被折叠以节省空间，然后到太空后展开为需 要的结构。前驱体转化为陶瓷后，这些 4D 打印的陶瓷结构可以被用来做耐热结构。
优点四:
此方法得到的陶瓷结构具有很高的比强度(strength-to-density ratio)，并且可以兼具高强 度和大尺度 (strength-scalability synergy)。下图显示了此次研究中打印陶瓷结构的强度-尺度的协同作用。他们的结果(红色星号标记)攻克了打印陶瓷结构强度与尺度不可兼得 的普遍难题，明显突出于之前报道的其他参考文献中的结果。此次研究中的打印陶瓷晶格 结构的抗压强度可以达到 547 MPa(密度约为 1.6 g cm-3)，其比强度约为传统 SiOC 泡沫 的 19 倍。
优点五:
相较于陶瓷增材制造的其他方法，此次研究中开发的“墨水直写陶瓷前驱体+热处理陶瓷化” 工艺成本相对低廉，因为这种方法不需要 3D 光刻法所要求的相对昂贵的激光或者紫外光 能源，也不需要一般陶瓷粉末烧结所要求的超高温度(对于 SiC 和 Si3N4，一般粉末烧结 温度要超过 1600oC，而此工作中热处理 1000 oC 即可陶瓷化)。
结语
在此次研究中提出的“3D 打印弹性体-自变形-陶瓷化”的 4D 打印陶瓷概念里，用于陶瓷前 驱体的硅胶基质纳米复合材料可以进一步推广到其他两相或多相材料系统中，这种方法开 辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺，有望用在航空发动机上。3D 打印方式也可以根据材料特性推广到墨水直写以外的打印技术中，变形过程可以推广 到形状记忆变形，多材料打印的热膨胀变形等方式中，热处理工艺上也有相当的优化和拓 展空间。总之，这个工作在研发复杂形状的轻质高强大尺度的结构陶瓷上取得了一定突破， 其在高温材料相关领域的广泛应用值得期待。
此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题 研究计划、香港创新科技署(通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心)、广东 省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。
参考文献：
Zanchetta, E. et al. Adv. Mater. 28, 370-376 (2015)
Meza, L.R. et al. Science 345, 1322-1326 (2014)
Bauer, J. et al. PNAS 111, 2453-2458 (2014)
Bauer, J. et al. Nat. Mater. 15, 438-443 (2016)
Colombo, P. et al. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2245-2251 (2001)
文章来源：SAMA 国际论坛
(责任编辑：admin)
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