研究团队开发了世界上第一个陶瓷4-D打印

香港城市大学(CityU)的一个研究团队通过成功开发世界上第一个陶瓷四维印刷技术，在材料研究方面取得了突破性进展，这些印刷机械坚固且形状复杂。这可能会成为陶瓷结构应用的新篇章。

陶瓷具有高熔点，因此难以使用传统的激光印刷来制造陶瓷。现有的3-D印刷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。为了克服这些挑战，城大团队开发了一种新型“陶瓷墨水”，它是聚合物和陶瓷纳米粒子的混合物。用这种新型油墨印刷的3-D印刷陶瓷前体是柔软的，并且可以拉伸超过其初始长度的三倍。这些柔韧且可拉伸的陶瓷前体允许复杂的形状，例如折纸折叠。通过适当的热处理，可以制造形状复杂的陶瓷。

该团队由机械工程系主任陆健教授领导，他是一位杰出的材料科学家，研究领域包括制造纳米材料和先进的结构材料，以及表面工程的计算模拟。随着弹性前驱体的发展，研究团队通过开发两种陶瓷四维印刷方法取得了一个突破。

4-D打印是传统的3-D打印结合附加时间元素作为第四维度，其中打印物体可以随着时间的推移重新成形或自组装外部刺激，例如机械力，温度或磁场。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)，并且与其他印刷陶瓷相比，它们可以具有高强度的大尺寸。

“整个过程听起来很简单，但事实并非如此，”卢教授说。“从制作油墨到开发印刷系统，我们尝试了很多次和不同的方法。就像挤压蛋糕上的糖霜一样，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。“

团队花了两年半的时间才克服现有材料的局限，开发整个4-D陶瓷打印系统。

在第一种成型方法中，首先用新型油墨印刷3-D印刷的陶瓷前体和基板。使用双轴拉伸装置拉伸基材，并在其上印刷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板的释放，材料变形为设计形状。

在第二种方法中，将设计的图案直接印刷在拉伸的陶瓷前体上。然后它在计算机编程控制下被释放并经历了自我变形过程。

该创新发表在最新一期的顶级学术期刊Science Advances上，标题为“折射和弹性体衍生陶瓷结构的4-D印刷”。所有研究团队成员均来自城大，包括研究助理刘国博士，高级研究员赵燕博士和研究员吴戈博士。

“凭借印刷陶瓷前体的多功能形状变形能力，其应用可能非常庞大，”陆教授说。一个有希望的应用是电子产 陶瓷材料在传输电磁信号方面比金属材料具有更好的性能。随着5G网络的到来，陶瓷产品将在电子产品的制造中发挥更重要的作用。陶瓷的艺术特性及其形成复杂形状的能力也为消费者提供了制造定制陶瓷手机背板的潜力。

此外，这项创新可应用于航空和太空探索。“由于陶瓷是一种能够承受高温的机械坚固材料，因此4-D印刷陶瓷具有很高的潜力，可用作航空航天领域的推进部件，”卢教授说。

凭借材料和4-D- 印刷技术进步的突破，陆教授表示，下一步是提高材料的机械性能，例如降低其脆性。