全球首个陶瓷4D打印系统“出炉”

刘霞

据物理学家组织网近日报道，香港城市大学的研究团队成功开发出全球首个陶瓷4D打印系统，打印出来的陶瓷坚固且拥有复杂的形状，有望在电子和航空航天领域大展拳脚。

陶瓷的熔点很高，因此难用传统的激光打印技术制造；现有的3D印刷陶瓷前体通常很难变形，让制造复杂形状的陶瓷困难重重。为应对这些挑战，机械工程系主任吕坚（音译）教授领导的团队开发出了一种新型“陶瓷墨水”，它是聚合物和陶瓷纳米粒子的混合物。用這种新型陶瓷墨水打印出来的3D陶瓷前体非常柔软，可拉伸到初始长度的3倍。这些柔韧且可拉伸的陶瓷前体通过适当的热处理，就可制造出拥有复杂形状的陶瓷。而且，在此基础上，研究团队开发出了两种陶瓷4D打印方法。

4D打印是传统3D打印加上第四维度——时间，在第四维度中，打印物体可在外部环境（例如机械力、温度或磁场）的刺激下，随着时间的推移重新成形或自我组装。在最新研究中，该团队利用存储在拉伸的陶瓷前体中的弹性能量让陶瓷变形。当拉伸过的陶瓷前体被释放时，它经历自我重整，热处理后，前体变成陶瓷，得到的陶瓷坚固且拥有高压缩强度—密度比。另外，与其他打印陶瓷相比，它们可以形成拥有高强度的大尺寸结构。

吕坚说：“凭借印刷陶瓷前体的变形能力，其应用可能非常大。一个有希望的应用是制造电子产品。”在传输电磁信号方面，陶瓷材料比金属材料性能更优异。此外，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获得定制陶瓷手机背板的潜力。

这项创新还可应用于航空航天领域。吕坚解释说：“由于陶瓷是一种能承受高温的机械强度高的材料，因此4D打印陶瓷有很大潜力用作航空航天领域的推进部件。”

吕坚表示，下一步是提高材料的力学性能，例如降低其脆性。