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          香港团队研发陶瓷4D打印技术,全球*

          近日,香港城市大学吕坚教授研究组全球首次实现了陶瓷的4D打印(Four-dimensional printing)。相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances上。

          第一作者:刘果;第二作者:赵岩;第三作者:吴戈

          通讯作者:吕坚

          4D打印技术,简单地说,4D打印就是用来描述合成物进行自我改变和适应环境的过程,在三维的物体上附加的第四个维度,就是时间。

          早在2013年2月25日,在美国加州举办的TED 2013大会上,来自美国麻省理工学院(MIT)的建筑师,设计师和计算机科学家斯凯拉·蒂比茨(Skylar Tibbits)展示了4D打印技术。

          4D打印创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体,而且它们能够进行自我调整

          吕坚教授的这种4D打印技术,在陶瓷材料的各方面性能都实现了突破,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。

          吕教授团队所用的生物3D打印机为捷诺飞团队开发的“捷诺飞Bio-Architect?®-Work Station”。

          这种生物打印机能够将生物材料和活细胞3D打印成型,最高可实现每秒0-190mm的成型速度。

          虽然听起来离我们普通人很远,但实际上其应用领域非常广泛。3D打印设备就像是研发人员的武器,它可以为研究者提供新的研究工具、为器官缺损患者打印人工组织器官或组织修复支架、为制药公司打印药物筛选模型和新型药物控释支架,还能为医生打印个性化定制的医疗辅具。

          吕坚教授研究组,成功实现了打印陶瓷折纸结构(Printed ceramic origami)和4D打印陶瓷 (4D printing of ceramics)。整个研发过程分为三个部分来进行逐步实现4D打印:

          3D打印陶瓷→打印陶瓷折纸结构→4D打印陶瓷

            1. 3D打印陶瓷

            在此次研究中,他们先实现了3D打印陶瓷,采用了墨水直写打印技术(Directink writing)。这种打印方式成本较为低廉,打印完成后在氩气或真空中进行热处理,得到一级陶瓷,然后在空气中进行热处理,进而得到二级陶瓷。

            开发这两级陶瓷可以丰富材料的外观,譬如一级陶瓷是黑色的,而二级陶瓷是白色的。

            3D打印出的陶瓷前驱体(获得目标产物前的一种存在形式)具有弹性,可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度,这为4D打印提供了自变形的可能。

            最终打印得到的多级结构陶瓷是纳米复合材料,有的系统还会得到孔径小于10nm的超纳孔(Suprananopore)。

            2. 打印陶瓷折纸结构

            然后他们实现了陶瓷折纸结构。在金属丝的辅助下,3D打印的结构可以折叠变形,经过热处理弹性体转化为陶瓷,然后金属丝可以被硝酸销蚀掉,最后只剩下陶瓷结构。

            3. 4D打印陶瓷

            在打印陶瓷折纸结构的基础上,他们开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。

            在方法一中,他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置,将3D打印的基底在两个方向进行预拉伸,拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点,用于连接基底和其上的3D打印得到的主结构。等连接点固化后,在电机控制下释放基底中的预应力,主结构就会发生屈曲变形,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,就会发生4D变形。

            他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子,其中包括弯曲,螺旋,和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形,可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计,譬如纹路的疏密程度,与拉伸方向的夹角等。

            4D打印陶瓷优点一:

            3D打印只能一个图纸设计对应一个结构,而4D打印能够制作出一系列相似形状的陶瓷。这个优点所带来的在时间成本上的突破,将会在定制设计上体现得尤其明显。

            4D打印陶瓷优点二:

            此次研究提出了“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷的概念,并举了两种自变形方法作为例子。这种概念可以有更广泛的变体和应用,譬如引入形状记忆变形等。

            这种4D打印方法上的多样性,可以为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供巨大的自由度。

            以电子设备行业为例,因为陶瓷材料在电磁信号传输上的优异性能,5G时代的到来将会对陶瓷产品的发展提出更高的要求。

            下图是吕坚团队打印的陶瓷手机背板。相较于传统的陶瓷成型工艺(譬如注塑成型等),4D打印技术更容易实现个性化定制,尤其在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上。

            该技术有望应用在包括陶瓷手机背板和中框,陶瓷手表的表壳表圈表链等3C产业中。

            4D打印陶瓷优点三:

            4D打印陶瓷可以用于太空探索。3D打印的材料可以在地面被折叠以节省空间,然后到太空后展开为需要的结构。这些4D打印的陶瓷结构在后期可以被用来做耐热结构。

             

            4D打印陶瓷优点四:

            此方法得到的陶瓷结构具有很高的强度。

            4D打印的陶瓷网格结构的抗压强度可以达到547 MPa(密度约为1.6 g cm-3),其比强度约为传统SiOC泡沫的19倍。

            下图显示了他们的结果(红色星号标记)攻克了打印陶瓷结构强度与尺度不可兼得的普遍难题,明显优越于之前报道的其他参考文献中的结果,包括3D打印的SiOC微结构,由3D激光光刻(3D laser lithography)和原子层沉积(atomic layerdeposition)所制成的陶瓷材料结构。相较于3D激光光刻得到的纳米结构,此次研究中兼具大尺度和高强度的陶瓷材料将有较大机会应用在制造机械超材料中。

            参考文献:

            1. Eckel,Z.C. et al.Science351, 58-62(2016)

            2. Zanchetta,E. et al.Adv. Mater.28, 370-376(2015)

            3. Meza,L.R. et al.Science345, 1322-1326(2014)

            4. Bauer,J. et al.PNAS111, 2453-2458 (2014)

            5. Bauer,J. et al.Nat. Mater.15, 438-443(2016)

            6. Colombo,P. et al.J. Am. Ceram. Soc.84,2245-2251 (2001)

            4D打印陶瓷优点五:

            相较于陶瓷增材制造的其他方法,此次研究中开发的4D打印陶瓷成本相对低廉,因为这种方法不需要昂贵的激光或者紫外光能源,也不需要一般陶瓷粉末烧结所要求的超高温度(对于SiC和Si3N4,一般粉末烧结温度要超过1600oC,而此工作中热处理1000 oC即可陶瓷化)。

            结语

            在此次研究中提出的4D打印陶瓷概念里,这种方法开辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺,有望用在航空发动机上。

            3D打印方式也可以根据材料特性推广到其它打印技术中。这个工作在研发复杂形状的轻质高强、大尺度的结构陶瓷上取得了一定突破,其在高温材料相关领域的广泛应用值得期待。

            此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题研究计划、香港创新科技署(通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心)、广东省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。

            吕坚教授简介

            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。

            本文相关成果:

            1. Guo LIU, Yan ZHAO, Ge WU,Jian LU, Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures,ScienceAdvances4,eaat0641 (2018)

            2. Jian LU, Guo LIU.U.S. patent15/663,961

            3. Jian LU, Guo LIU.U.S. patent15/996,832

            4. Jian LU, Guo LIU, Yan ZHAO.U.S.patent16/006,924

            5. Jian LU, Guo LIU, Yan ZHAO.U.S.patent16/008,279

            原创:吕坚团队

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