香港城市大学开发出世界上第一个4D陶瓷打印技术

4D陶瓷打印技术。...



到目前为止，由于其高熔点，很难将传统的激光3D打印技术应用于陶瓷。现有的3D打印陶瓷前体通常难以变形，也妨碍了具有复杂形状的陶瓷的生产。


模仿悉尼歌剧院的打印陶瓷折纸

香港城市大学（CityU）的一个研究小组克服了这些挑战，并成功开发出世界上第一个陶瓷四维打印方法，这种方法在机械性能上坚固、形状也很复杂。

4D打印是传统的3D打印，其与附加的时间元素相结合作为第四维度，其中打印物体可以随着时间的推移利用外部刺激（例如机械力，温度或磁场）重新成形或自组装。

为了达到预期的效果，城大团队开发了一种新型“陶瓷油墨”，它是弹性聚合物（二甲基硅氧烷）和陶瓷纳米颗粒（结晶ZrO2 NPs，其初级平均直径为20至50纳米）的混合物。当施加热量时，用这种新型油墨印刷的3D打印陶瓷前体可以拉伸比其起始长度大三倍。这些柔韧且可拉伸的陶瓷前体还允许折纸折叠，以及创建更复杂的形状。


4D打印陶瓷Miura-ori

在这项研究中，该团队利用存储在拉伸前体中的弹性能量进行形状变形。当拉伸的陶瓷前体被释放时，它们经历自重整。热处理后，前体变成陶瓷。

得到的弹性体衍生的陶瓷在机械性能上是坚固的。它们可以具有高压缩强度 - 密度比（在1.6g cm -3微晶格上为547MPa），并且与其他3D打印陶瓷相比，它们可以具有高强度的大尺寸。

创新的两步流程需要两年时间才能完成。 “整个过程听起来很简单，但事实并非如此，”领导这项研究的机械工程学院副院长兼讲座教授陆健教授说。 “从制作油墨到开发打印系统，我们尝试了很多次和不同的方法。就像在蛋糕上挤压结冰一样，有很多因素可以影响结果，包括奶油的类型和喷嘴的大小，挤压的速度和力度，以及温度。“


通过DIW变形热处理方法对EDCs进行折纸和4D打印（A）用于折纸的3D打印弹性体格子。 （B）油墨DIW的光学图像。 （C）衍生自3D打印弹性体的陶瓷结构的折纸。 （D和E）两种4D打印方法，包括方法1（D）和方法2（E），以及热处理，将3D打印的弹性体转化为4D打印的陶瓷。示例：（F）平板（左）和弯曲（右）手机背板。 （G）3D打印平板手机背板的俯视图。 （H）弯曲的陶瓷蜂窝。插图表示蜂窝的曲率。比例尺，1厘米。

研究团队开发了两种四维陶瓷打印方法。在第一种成型方法中，首先用新墨水打印两种形式，3D打印的陶瓷前体和基材。使用双轴拉伸装置拉伸基材，并在其打印用于连接前体的接头。然后将前体置于拉伸的基材上。通过计算机编程的时间控制和拉伸基材的释放，材料变形为所需形状。

在第二种方法中，将设计的图案直接打印在拉伸的陶瓷前体上。然后在计算机控制下释放它以变成最终形式。

陆教授认为，电子设备将成为这项技术的一个有前景的应用领域。陶瓷在传输电磁信号方面比金属具有更好的性能，并且当5G网络投入使用时，它们有望在电子产品的制造中发挥更重要的作用，例如定制陶瓷手机背板。

此外，这项创新可应用于航空工业和太空探索。 “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，”陆教授说。

陆教授表示，下一步是提高材料的机械性能，特别是降低其脆性。

这项创新工作于本周在“高级科学”杂志上发表，标题为“折射和4D打印弹性体衍生陶瓷结构”。

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