城大首創(chuàng)4D打印陶瓷
香港城市大學(xué)（城大）的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)全球首套4D打印陶瓷技術(shù)，在材料研發(fā)上取得突破性進(jìn)展，這項(xiàng)新技術(shù)能夠打印出堅(jiān)固且形狀復(fù)雜的陶瓷，為陶瓷結(jié)構(gòu)的應(yīng)用翻開了新的一頁(yè)。
由于陶瓷有熔點(diǎn)高的特性，因此難以用傳統(tǒng)的激光打印方法來制造陶瓷。而現(xiàn)在用3D打印的陶瓷前驅(qū)體通常難以變形，因此阻礙了一些形狀復(fù)雜陶瓷的生產(chǎn)。
為了克服這些挑戰(zhàn)，城大團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的"陶瓷墨水"—— 一種聚合物和陶瓷納米顆粒的混合物。采用這種新型墨水并以3D打印出來的陶瓷前驅(qū)體，既柔軟且富彈性，可以拉伸至超過原來材料長(zhǎng)度的三倍。這些柔韌且可拉伸的陶瓷前驅(qū)體，為制造一些譬如折紙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀創(chuàng)造了條件。之后通過適當(dāng)?shù)母邷靥幚恚涂梢灾圃斐鲂螤顝?fù)雜的陶瓷。
這項(xiàng)研究由城大副校長(zhǎng)（研究及科技）及機(jī)械工程學(xué)講座教授呂堅(jiān)教授帶領(lǐng)，呂教授是一名出色的材料科學(xué)家，研究范疇包括納米及先進(jìn)材料的制備，和表面工程仿真模擬設(shè)計(jì)。
4D打印是指在傳統(tǒng)3D打印的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)時(shí)間維度作為第四維度：由3D打印出來的物體形狀和結(jié)構(gòu)在一定的外部刺激下，例如機(jī)械力、溫度或磁場(chǎng)，可以隨著時(shí)間而自我變形或自我組裝。
在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)利用拉伸了的前驅(qū)體的彈性勢(shì)能來改變形狀。當(dāng)拉伸的陶瓷前驅(qū)體彈性能量被釋放時(shí)，它會(huì)進(jìn)行自我變形。經(jīng)過熱處理后，前驅(qū)體就會(huì)轉(zhuǎn)化成陶瓷。
這種由彈性體衍生的4D打印陶瓷，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，具有很高的抗壓強(qiáng)度，可以達(dá)到547 MPa（密度約1.6 g/cm3），而且比起一般的打印陶瓷，它兼具大尺寸和高強(qiáng)度兩種優(yōu)勢(shì)。
呂教授說︰“整個(gè)系統(tǒng)聽起來好像很簡(jiǎn)單，但事實(shí)并非如此。從制作墨水到開發(fā)整套打印系統(tǒng)，我們嘗試了無數(shù)次，也使用過不同的方法。就像在蛋糕上擠奶油一樣，很多因素會(huì)影響結(jié)果，從奶油種類、唧嘴大小、擠壓速度和力度，以至溫度，都對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。”
歷時(shí)逾兩年半，團(tuán)隊(duì)最終克服了現(xiàn)有材料的局限性并開發(fā)出整套4D打印陶瓷系統(tǒng)。
在第一種成型方法中，團(tuán)隊(duì)首先用新型陶瓷墨水印制3D陶瓷前驅(qū)體和基底，然后將基底放在雙軸拉伸裝置上進(jìn)行拉伸，再在拉伸了的基底上打印接連陶瓷前驅(qū)體的連接點(diǎn)，之后把陶瓷前驅(qū)體放上去，由計(jì)算機(jī)程控時(shí)間和釋放拉伸了的基底，整個(gè)結(jié)構(gòu)便會(huì)屈曲成預(yù)設(shè)的形狀。
在第二種方法中，團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)圖案直接打印在已拉伸的陶瓷前驅(qū)體上。前驅(qū)體在計(jì)算機(jī)程控下被釋放，就會(huì)進(jìn)行自我變形。
全球首個(gè)4D打印陶瓷發(fā)明。(觀看視頻)
這項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明的相關(guān)資訊發(fā)表于最新一期的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances），標(biāo)題為《彈性體衍生的折紙?zhí)沾珊?D打印陶瓷》（Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures）。所有研究團(tuán)隊(duì)的成員均來自城大，包括研究助理劉果博士、高級(jí)副研究員趙巖博士和研究員吳戈博士。
呂教授說：“憑借陶瓷前驅(qū)體多樣化的變形能力，它的應(yīng)用范圍可以很廣。”其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用將會(huì)是電子產(chǎn)品。陶瓷材料在傳輸電磁訊號(hào)方面比金屬材料更優(yōu)越，隨著5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，陶瓷產(chǎn)品將在電子產(chǎn)品制造中發(fā)揮更重要作用。陶瓷的藝術(shù)特性及其可塑成復(fù)雜形狀的能力，將來可以為消費(fèi)者量身訂做獨(dú)一無二的陶瓷手機(jī)背板。
此外，這項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明可以應(yīng)用于航空工業(yè)和太空探索上。呂教授說︰“陶瓷堅(jiān)固且耐熱，因此4D打印陶瓷具有極高的潛力，可用來制作推進(jìn)部件應(yīng)用在航空業(yè)上。”
同時(shí)，在這次研究中提出的“3D打印彈性體—自變形—陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，可進(jìn)一步研發(fā)用于作為陶瓷前驅(qū)體的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合材料，推廣至采用其他兩相或多相材料。這種方法開辟了制作復(fù)雜形狀的高溫合金和陶瓷等高溫難熔材料的一個(gè)新工藝，有望應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。
憑借材料和4D打印技術(shù)的突破，呂教授表示下一步將是提高材料的機(jī)械性能，例如減低其脆性。
此項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大項(xiàng)目、香港的大學(xué)教育資助會(huì)協(xié)作研究金和主題研究計(jì)劃支持。它亦通過國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心得到香港創(chuàng)新科技署的資助，并獲得廣東省科學(xué)技術(shù)廳和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的資助。