香港城市大学研究人员开发出首个4D打印陶瓷工艺

随着世界上第一个陶瓷4D打印工艺的发展，香港城市大学（CityU）的研究人员创造出坚固且极其复杂的陶瓷结构，正在将陶瓷增材制造推向新的高度。

AM行业中的大多数人都知道，4D打印通过创建在暴露于外部力量（如光，温度，湿度）时发生变化，自组装或形状偏移的结构，将第四维时间添加到3D打印方程式中或磁力。目前，大多数4D打印应用仅限于研究，尽管有一些真正创新和有趣的项目正在开发中。

例如，在罗格斯大学，工程师们已经创建了一种用于创建变形智能凝胶结构的4D打印方法，而麻省理工学院的工程师最近推出了可以使用磁铁控制的柔软3D打印结构。然而，城大承担并由陆健教授领导的项目是我们第一次看到陶瓷和四维打印相结合。

陶瓷是AM行业的一个快速发展的部分，具有高熔点，使得它们难以使用基于激光的打印方法。3D可打印陶瓷前体就其本身而言难以变形，这阻碍了复杂陶瓷的生产。鉴于这些挑战，城大研究人员开发出一种由聚合物和陶瓷纳米粒子混合而成的陶瓷油墨。

这些陶瓷前体纳米颗粒以柔软和可拉伸的特性着称。正如研究小组所解释的那样，陶瓷前体可以拉伸超过其初始长度的三倍，这使得能够制造复杂的形状，包括类似折纸的折叠结构。

城大研究人员利用弹性前体中的弹性能量来实现形状变形。更具体地，当拉伸的陶瓷前体从其拉伸状态释放时，它们自动重新成形。然后，一旦物体经过热处理，陶瓷前体就变成坚硬的，机械坚固的陶瓷。研究小组表示，这些陶瓷具有较高的抗压强度 － 密度比（在1．6 g cm－3微晶格上为547 MPa），并且可以制成比其他打印陶瓷更大的结构。

“整个过程听起来很简单，但事实并非如此。”城大的机械工程副总裁兼教授卢教授详细阐述道。“从制作墨水到开发打印系统，我们尝试了很多次和不同的方法。就像挤压蛋糕上的结冰一样，有许多因素可以影响结果，从奶油的类型和喷嘴的大小，到挤压的速度和力，以及温度。”

事实上，4D打印陶瓷已经长期存在，因为它已经花了超过2．5年的时间，研究团队来克服挑战并呈现陶瓷4D打印工艺。最近发表在《科学进步》杂志上的该项目研究描述了该研究的各个阶段。

在第一种成型方法中，研究人员使用陶瓷油墨3D打印陶瓷前体和基板。然后使用双轴拉伸装置拉伸基材，并将用于连接前体的接头3D打印在其上。在接头就位的情况下，将前体施加到拉伸的基材上。当后者被释放时，材料以受控的方式变形为预先设计的形状。在研究人员描述的第二种方法中，将设计的图案直接打印到拉伸的陶瓷前体上。然后释放该结构并在通过计算机编程控制的同时自我变形。

“凭借打印陶瓷前体的多功能形状变形能力，它的应用可能非常巨大！” － 吕教授。

在应用方面，4D打印陶瓷在电子器件的制造中特别有用。由于陶瓷显示出比金属更好的电磁信号传输性能，因此它们越来越多地被用于电子应用。研究人员补充说，4D打印陶瓷也可以被客户用来制造定制和复杂设计的手机背板。

在电子产品之外，4D打印陶瓷也可用于航空航天工业。 “由于陶瓷是一种能够承受高温的机械坚固材料，因此4D打印陶瓷具有很高的潜力，可用作航空航天领域的推进部件。”陆教授解释说。

尽管如此，在4D打印陶瓷部件具有商业可行性之前还有一些工作要做。根据卢教授的说法，研究工作的下一步将是改善陶瓷油墨的机械性能并降低脆性。