中國粉體網(wǎng)訊 面對諸多的應用場合，各種復雜形狀的結(jié)構(gòu)陶瓷,、功能陶瓷等需求越來越大,，現(xiàn)目前制備可控可定制的復雜結(jié)構(gòu)陶瓷,，傳統(tǒng)的陶瓷制備技術(shù)已遠遠不能滿足需求,。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)解決來了此問題，然而,，近年來,，能讓3D打印的可控形狀變形，并使復雜形狀設計的多種可能性成為可能的4D打印一直吸引著材料領域的密切關注,。
4D陶瓷打印是在3D打印的基礎上增加了時間維度,，簡單來說，就是4D陶瓷打印可直接將設計程序內(nèi)置到物料當中,，隨時間變化,，陶瓷材料自動變形為所需的形狀。
近日,，以佛山（華南）新材料研究院為第一完成單位,，聯(lián)合清華大學深圳研究生院、深圳奇遇科技有限公司在國際期刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表題為“4D printing of ceramic structures”的相關論文,，提出關于復雜陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印策略,，通過精確調(diào)整陶瓷材料的固含量和打印路徑，實現(xiàn)了陶瓷結(jié)構(gòu)的可控變形。
4D打印實現(xiàn)了3D打印的可控形狀變形,，并使復雜形狀設計的多種可能性成為可能,。然而，4D打印通常是應用于容易變形的軟材料,。而陶瓷本質(zhì)上是硬而脆的,，這阻礙了其在4D打印中的發(fā)展。本研究利用打印陶瓷在燒結(jié)過程中的應力不匹配,，實現(xiàn)了陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印,。
該研究主要利用打印陶瓷在燒結(jié)過程中的應力不匹配，以達成陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印,。科研團隊通過打印底層高固含量,、頂層低固含量的雙層氧化鋯(ZrO2)陶瓷，令其燒結(jié)收縮率的內(nèi)應力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致,，實現(xiàn)其形狀由平面變?yōu)閺澢Y(jié)構(gòu),。在這一過程中，研究人員通過選擇不同的打印工藝來定制陶瓷結(jié)構(gòu)的變形行為,。最后,，通過對陶瓷材料的固含量和打印路徑進行編程，實現(xiàn)了具有各種特性的4D打印陶瓷花朵,。
采用直寫-燒結(jié)法進行陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印。(a)將ZrO2納米顆粒與UV樹脂按不同比例混合,。(b-c)含有均勻分散的ZrO2納米顆粒的UV材料墨水,。(d)采用雙噴嘴配備DIW技術(shù)并進行UV固化處理的陶瓷片3D打印。(e)將3D打印的陶瓷片燒結(jié)后轉(zhuǎn)化為4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu),。
通過編程打印路徑實現(xiàn)陶瓷花朵的4D打印,。(a)雙層陶瓷的頂層以不同的路徑打印。(b)燒結(jié)后各種雙層陶瓷多邊形的形狀變化,。(c)燒結(jié)前后堆疊陶瓷的俯視圖,。(d)燒結(jié)前后堆疊陶瓷的側(cè)視圖。
通過編程打印路徑實現(xiàn)陶瓷花朵的4D打印,。(a)雙層陶瓷的頂層以不同的路徑打印,。(b)燒結(jié)后各種雙層陶瓷多邊形的形狀變化。(c)燒結(jié)前后堆疊陶瓷的俯視圖,。(d)燒結(jié)前后堆疊陶瓷的側(cè)視圖,。
目前，科研團隊所提出的實現(xiàn)復雜陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印策略中的直寫(Direct ink writing, DIW)技術(shù)已成功應用于液晶彈性體,、磁性元件,、水凝膠、形狀記憶聚合物等的4D打印。在該論文中采用DIW技術(shù)制備了雙層陶瓷片,，通過對雙層ZrO2陶瓷材料的固體含量和打印路徑進行編程,，實現(xiàn)了燒結(jié)收縮率的內(nèi)應力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致。與目前用于生產(chǎn)復雜形狀陶瓷的傳統(tǒng)工藝相比,，本次所提出的4D打印工藝使其能夠自下而上地打印陶瓷結(jié)構(gòu),。
燒結(jié)過程中陶瓷雙分子層的自變形。(a)以不同的路徑打印雙層陶瓷方塊,。(b)燒結(jié)后雙層陶瓷方塊的形狀變化,。(c)陶瓷方塊燒結(jié)前后的對比。(d)燒結(jié)后雙層陶瓷矩形的幾何形狀,。(e)燒結(jié)后雙層陶瓷橢圓的幾何形狀,。比例尺為10mm。
下一步,，研究院將繼續(xù)著力開展陶瓷3D打印及增材制造領域科學技術(shù)攻關,，為佛山增材制造產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供強大技術(shù)支撐，為廣東省經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展助力,。
來源：南極熊3D打印,、佛山（華南）新材料研究院、奇遇科技ADTE
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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