香港城市大學開發出世界上第一個4D陶瓷列印技術

到目前為止，由於其高熔點，很難將傳統的激光3D列印技術應用於陶瓷。現有的3D列印陶瓷前體通常難以變形，也妨礙了具有複雜形狀的陶瓷的生產。

模仿悉尼歌劇院的列印陶瓷摺紙

香港城市大學（CityU）的一個研究小組克服了這些挑戰，並成功開發出世界上第一個陶瓷四維列印方法，這種方法在機械性能上堅固、形狀也很複雜。

4D列印是傳統的3D列印，其與附加的時間元素相結合作為第四維度，其中列印物體可以隨著時間的推移利用外部刺激（例如機械力，溫度或磁場）重新成形或自組裝。

為了達到預期的效果，城大團隊開發了一種新型「陶瓷油墨」，它是彈性聚合物（二甲基硅氧烷）和陶瓷納米顆粒（結晶ZrO2 NPs，其初級平均直徑為20至50納米）的混合物。當施加熱量時，用這種新型油墨印刷的3D列印陶瓷前體可以拉伸比其起始長度大三倍。這些柔韌且可拉伸的陶瓷前體還允許摺紙摺疊，以及創建更複雜的形狀。

4D列印陶瓷Miura-ori

在這項研究中，該團隊利用存儲在拉伸前體中的彈性能量進行形狀變形。當拉伸的陶瓷前體被釋放時，它們經歷自重整。熱處理後，前體變成陶瓷。

得到的彈性體衍生的陶瓷在機械性能上是堅固的。它們可以具有高壓縮強度 - 密度比（在1.6g cm -3微晶格上為547MPa），並且與其他3D列印陶瓷相比，它們可以具有高強度的大尺寸。

創新的兩步流程需要兩年時間才能完成。 「整個過程聽起來很簡單，但事實並非如此，」領導這項研究的機械工程學院副院長兼講座教授陸健教授說。 「從製作油墨到開發列印系統，我們嘗試了很多次和不同的方法。就像在蛋糕上擠壓結冰一樣，有很多因素可以影響結果，包括奶油的類型和噴嘴的大小，擠壓的速度和力度，以及溫度。「

通過DIW變形熱處理方法對EDCs進行摺紙和4D列印

（A）用於摺紙的3D列印彈性體格子。 （B）油墨DIW的光學圖像。 （C）衍生自3D列印彈性體的陶瓷結構的摺紙。 （D和E）兩種4D列印方法，包括方法1（D）和方法2（E），以及熱處理，將3D列印的彈性體轉化為4D列印的陶瓷。示例：（F）平板（左）和彎曲（右）手機背板。 （G）3D列印平板手機背板的俯視圖。 （H）彎曲的陶瓷蜂窩。插圖表示蜂窩的曲率。比例尺，1厘米。

研究團隊開發了兩種四維陶瓷列印方法。在第一種成型方法中，首先用新墨水列印兩種形式，3D列印的陶瓷前體和基材。使用雙軸拉伸裝置拉伸基材，並在其列印用於連接前體的接頭。然後將前體置於拉伸的基材上。通過計算機編程的時間控制和拉伸基材的釋放，材料變形為所需形狀。

在第二種方法中，將設計的圖案直接列印在拉伸的陶瓷前體上。然後在計算機控制下釋放它以變成最終形式。

陸教授認為，電子設備將成為這項技術的一個有前景的應用領域。陶瓷在傳輸電磁信號方面比金屬具有更好的性能，並且當5G網路投入使用時，它們有望在電子產品的製造中發揮更重要的作用，例如定製陶瓷手機背板。

此外，這項創新可應用於航空工業和太空探索。 「由於陶瓷是一種能夠承受高溫的機械堅固材料，因此4D列印陶瓷具有很高的潛力，可用作航空航天領域的推進部件，」陸教授說。

陸教授表示，下一步是提高材料的機械性能，特別是降低其脆性。

這項創新工作於本周在「高級科學」雜誌上發表，標題為「折射和4D列印彈性體衍生陶瓷結構」。

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