香港团队首次4D打印陶瓷 或成航天发动机新材料

3D打印的创新潮流还没铺开，4D打印技术就已经出现了。近日，香港城市大学研究小组在材料研究方面取得了突破性进展，成功开发出世界上首个4D陶瓷打印技术，打印出的成品在形状复杂的同时，还维持了很高的机械强度，这将为陶瓷的结构应用翻开新的一页。

陶瓷的熔点很高，因此，传统的激光打印在这上面无能为力，而采用现有的3D打印技术，因为陶瓷前体通常难以变形，也无法生产形状复杂的物件。为了克服这些挑战，城大团队开发了一种新型的“陶瓷油墨”，将聚合物和纳米陶瓷颗粒混合。用这种新型油墨打印出的三维陶瓷，前体柔软，可以拉伸至原来的3倍长度。有了可弯曲、可拉伸前体，就能通过适当的热处理，制成形状复杂的陶瓷成品。

（香港城市大学4D打印陶瓷成品，图片来源于Techxplore）

该团队由城大机械工程讲座教授卢建(音)领导，作为一位杰出的材料科学家，他从事的是从制造纳米材料和先进结构材料到表面工程计算模拟的研究。本次在弹性前体上的进展，意味着研究团队研究的2种4D陶瓷打印方法取得了新的突破。

所谓“4D打印”，就是让传统的3-D打印，结合额外第四维元素——时间的技术。通过3D打印打印出前体后，它会随着时间推移，在外部刺激，如机械力、温度或磁场的作用下，重新塑造成独特的形状。在这项研究中，研究小组利用的，就是前体在拉伸过程中储存的弹性能量。当拉伸过的陶瓷前体被打印出来后，它们就会自我重塑。再经过热处理，前体即成型为陶瓷。

合成的弹性材料陶瓷具有相当高的机械强度。它们具有高的抗压强度-密度比(在1.6 g cm-3微晶格上为547 MPa)，与其他3D打印陶瓷相比，它们在尺寸增大的同时，还保留了较高强度。

“整个过程听起来很简单，但事实并非如此，” 卢教授说，“从油墨的制造到印刷系统的开发，我们尝试了多次多种不同的方法。就像挤压蛋糕上的糖霜一样，从奶油的类型和喷嘴的大小，到挤压的速度和力度，以及温度，有很多因素会影响结果。”

在他们试验第一种打印方法中，首先用新型油墨3D打印出了陶瓷前体和基体，再用双轴拉伸装置拉伸基体，在基体上打印连接前体的接头，然后将前体放置在拉伸的基体上。随着时间推移，在计算机编程控制和拉伸基体的回弹下，材料逐渐向设计中的形状成型。

而在第二种方法中，他们设计的图案直接打印成陶瓷前体，然后在计算机程序控制下变形。

这项创新发表在最新一期的顶级学术期刊《科学进展》(Science Advances)上，题为“弹性材料陶瓷结构的制作与4D打印”。研究团队成员均来自香港城市大学，包括研究助理刘国(音)博士、高级研究员赵岩(音)博士、研究员吴歌(音)博士。

卢教授说:“4D打印的陶瓷前体具有良好的变形能力，应用范围非常广泛。其中一个应用方向是电子学，陶瓷材料在传输电磁信号方面比金属材料有更好的性能。随着5G时代的到来，陶瓷制品将在电子产品的中扮演更加重要的角色。陶瓷的艺术性和形成复杂形状的能力也为消费者定制的陶瓷手机背板提供了可能。”

此外，这一技术更宏远的前途是应用在航空航天领域。卢教授表示：“由于陶瓷是一种能承受高温，且机械强度高的材料，这种4D打印陶瓷在制作航空航天推进器部件上，有很大潜力。”

随着在材料技术和4D打印技术的继续进步下，卢教授表示，他们下一步目标是提高材料的机械性能，比如提高其韧性。