制備出形狀復(fù)雜、性能優(yōu)良、適用于不同應(yīng)用的材料，一直是材料科學(xué)家和工程師的研究重點(diǎn)。城大的科學(xué)家繼開發(fā)了全球首創(chuàng)的超納雙相合金和全球首套4D打印陶瓷技術(shù)后，目前正致力結(jié)合這兩項(xiàng)尖端技術(shù)，以制造輕質(zhì)、高強(qiáng)度金屬材料，以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空工業(yè)和太空探索。

3D打印技術(shù)又稱增材制造，由于能夠以低成本制備形狀復(fù)雜的組件，在制造、建筑、生物醫(yī)學(xué)以及航空航天等不同工業(yè)，獲廣泛應(yīng)用。然而，部分應(yīng)用仍有所限制，例如醫(yī)用植入物的運(yùn)動(dòng)部件， 3D打印而成的金屬材料容易出現(xiàn)金屬疲勞、耐磨性欠佳，最終可能要進(jìn)行第二次手術(shù)更換有關(guān)植入物。

結(jié)合兩項(xiàng)尖端技術(shù)

城大機(jī)械工程學(xué)系講座教授、國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任呂堅(jiān)教授，是金屬和陶瓷材料力學(xué)性能的專家。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正研發(fā)一套具開創(chuàng)性的2D / 3D / 4D增材制造系統(tǒng)，以制備各種力學(xué)性能理想的金屬基材料，滿足不同應(yīng)用的需求。

呂教授說：“透過結(jié)合雙相納米結(jié)構(gòu)和4D打印這兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，以探索任何可能出現(xiàn)、非同尋常的力學(xué)或超材料性能，是值得探索的方向。”呂教授同時(shí)兼任“納米材料與力學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”主任，該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室由中國科學(xué)院金屬研究所（IMR）和城大共同設(shè)立, 在2019年中科院-香港聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室評(píng)估中獲得優(yōu)秀成績，并獲得香港的大學(xué)教育資助委員會(huì)的專項(xiàng)支持。2020年，該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室獲國家科技部支持，在香港城市大學(xué)深圳研究院組建沈陽材料科學(xué)國家科學(xué)研究中心大灣區(qū)研究部，由呂教授出任主任。

此前，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)便成功開發(fā)了全球首創(chuàng)的超納雙相鎂合金材料，透過先進(jìn)的雙相納米結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)，他們克服了現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)材料高強(qiáng)度與高延展性無法兼容的局限性。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型材料的強(qiáng)度，較現(xiàn)有的鎂合金晶態(tài)材料高出十倍，并具有超強(qiáng)的變形能力，較鎂基金屬玻璃高兩倍。有關(guān)研究成果在國際頂尖科學(xué)學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表封面文章，是中國科學(xué)家首次在該刊就結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域研究發(fā)表的封面文章，并獲中國自然科學(xué)基金委選為基金會(huì)會(huì)刊（季刊）的封面成果。

團(tuán)隊(duì)亦開發(fā)了全球首套4D打印陶瓷技術(shù)，以新型3D技術(shù)打印出來的陶瓷前驅(qū)體可以拉伸，儲(chǔ)存在內(nèi)的彈性能量，使它可以隨著時(shí)間自行變形，而且所制備出來的陶瓷結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，具有高比強(qiáng)度（specific strength）。

 

制造理想的植入材料

團(tuán)隊(duì)現(xiàn)時(shí)進(jìn)行的研究項(xiàng)目，便結(jié)合這兩種頂尖技術(shù)。他們將首先開發(fā)2D / 3D / 4D制造系統(tǒng)，以制備形狀復(fù)雜的金屬基材料，特別是用于生物醫(yī)學(xué)和輕型結(jié)構(gòu)應(yīng)用的材料。 由于鈦基合金一向被視為是理想的植入材料，因此團(tuán)隊(duì)會(huì)先集中制備超納米3D打印鈦基合金，并探討其力學(xué)性能。

“透過運(yùn)用我們研發(fā)的4D打印、制備超納米材料以及制造表面納米結(jié)構(gòu)材料方面所獲得的知識(shí)和技術(shù)，我們將進(jìn)一步研究3D打印的鈦基合金和其他金屬材料，以提高其抗疲勞性能。我們希望為醫(yī)用植入物和航空航天工業(yè)開發(fā)高強(qiáng)度和耐磨的輕質(zhì)金屬材料。”呂教授續(xù)稱。  

 

團(tuán)隊(duì)亦會(huì)研究不同“后處理技術(shù)”如提高耐疲勞性的表面機(jī)械研磨處理（SMAT），以及增強(qiáng)耐磨性的物理氣相沉積（PVD），對(duì)打印材料的力學(xué)性能的影響。其中，SMAT是一種表面納米結(jié)晶技術(shù)，由呂教授聯(lián)同中國科學(xué)院金屬研究所前所長盧柯院士首先提出，以大功率超聲波振動(dòng)，使數(shù)以百計(jì)小硬珠高速撞擊材料表面，來增強(qiáng)金屬合金的耐磨及抗疲勞性能。 

醫(yī)學(xué)應(yīng)用的生物傳感器

團(tuán)隊(duì)的另一目標(biāo)是建立3D打印金屬材料的數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)列出各種材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、處理工序和潛在應(yīng)用。呂教授說：“對(duì)開發(fā)新型材料和探索嶄新應(yīng)用的材料研究人員和工程師來說，這個(gè)數(shù)據(jù)庫將會(huì)有極大幫助。我們希望數(shù)據(jù)庫能促進(jìn)金屬材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，從而造福社會(huì)。”  

 

除了3D打印技術(shù)外，呂教授及其團(tuán)隊(duì)還致力于功能性貴金屬材料的研究。值得一提的是，他們最新開發(fā)、基于超靈敏表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）的生物傳感技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如抗生素檢測和確保食品和化妝品安全等。他們正研究利用這項(xiàng)技術(shù)作為2019冠狀病毒病、癌癥和心腦血管疾病的快速檢測，以及糖尿病無創(chuàng)檢測的可行性。 

此文章收錄于CityU RESEARCH。