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中国香港吕坚教授科研团队首次实现陶瓷4D打印

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据南极熊了解,8月17日发表在新一期美国《科学进展》杂志上的研究显示,中国香港城市大学吕坚教授研究组首次实现了陶瓷4D打印。这种新技术有望应用于太空探索、电子产品和航空发动机制造等领域。4D打印,就是在3D打印基础上增加了时间维度。4D打印直接将设计内置到物料当中,让材料在设定的时间自动变形为所需要的形状,且可随时间变化。与3D打印相比,4D打印对材料有更高要求。此前大多采用水凝胶等聚合物作为4D打印“墨水”,但水凝胶聚合物应用范围有限。陶瓷前驱体材料应用广泛,但较难发生自变形,限制了其在4D打印中的发展。
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吕坚研究组的这种打印技术采用复合弹性体陶瓷材料,完成了从3D打印到结构可变形的过程,实现了陶瓷折纸结构的打印和4D陶瓷打印。他们采用成本较为低廉的“墨水直写技术”,用二氧化锆纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷复合材料,构建出3D弹性体结构。这种结构柔软且具有弹性,可拉伸至超过本身3倍的长度,并可使用金属丝让其折叠变形,形成蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、裙子等折纸结构。

研究人员利用这种柔性特质设计出一种自动拉伸装置,让3D弹性体结构的基底拉伸产生预应力,在其上面打印出主结构。当预应力释放后,主结构就会发生变形,从而形成4D打印所需的弹性体结构,热处理后可转化为4D陶瓷。接着他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形,经过热处理弹性体转化为陶瓷,然后金属丝被硝酸销蚀掉,最只剩下陶瓷结构。
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吕坚说,这种4D打印技术可广泛应用于个性化定制,优势在于采用相对简单的图纸设计,就可衍生出一系列形状相似且连续可变的结构,而传统的3D打印只能一个图纸对应一个结构。

此外,4D陶瓷热处理只需1000摄氏度即可完成,而传统陶瓷粉末烧结则需要1600摄氏度,因此4D打印工艺成本相对低廉。研究人员认为,如将新技术应用于太空探索领域,有望将3D打印前驱体折叠起来以节省空间,进入太空后再展开获得需要的结构。
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这种4D打印结合了3D打印、自变形组装和弹性体衍生陶瓷,在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应环境变化能力上实现了突破,有望广泛应用在太空探索、3C电子产品、航空发动机、防弹军事装备和高温微机电系统等领域中。4D打印一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度,使得在一定刺激(比如热、水、磁场、电流、紫外线等)下,3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中,包括水凝胶、形状记忆聚合物等。之前报道的可以3D打印的陶瓷前驱体材料通常较难发生自变形,限制了陶瓷4D打印的发展。

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A.3D打印弹性体。B.墨水直写打印。C.3D打印的弹性体衍生的陶瓷折纸结构。D~E.两种自变形组装4D打印陶瓷方法(方法1(D)和方法2(E))。F~G.4D打印弹性体陶瓷。


在打印陶瓷折纸结构的基础上,他们还开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。方法一是采用可编程自动双轴拉伸装置,通过释放基底中的预应力,使主结构发生屈曲变形,与基底一起形成4D打印的弹性体结构,热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。在方法二中,陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上,然后预应力被释放时,前驱体发生4D变形,经热处理得到4D打印陶瓷结构。

这一成果论文今天发表在Science Advances上,文章的第一作者是刘果博士,第二作者是赵岩博士,第三作者是吴戈博士,通讯作者是吕坚教授。所有作者均来自香港城市大学吕坚教授研究组。

吕坚教授简介:
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吕坚教授现任香港城市大学(研究及科技)副校长及研究生院院长,机械工程学院讲座教授,先进结构材料研究中心主任,香港工程科学院院士,法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”,2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能,实验力学,材料表面工程和仿真模拟,生物与仿生材料力学,航空航天材料与结构预应力工程,3D打印先进材料与产品集成设计等。

论文链接
http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641

来源:新华社&香港城市大学

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