中国香港科研团队 首次实现陶瓷4D打印

8月17日发表在新一期美国《科学进展》杂志上的研究显示，中国香港城市大学吕坚教授研究组首次实现了陶瓷4D打印。这种新技术有望应用于太空探索、电子产品和航空发动机制造等领域。
4D打印，就是在3D打印基础上增加了时间维度。4D打印直接将设计内置到物料当中，让材料在设定的时间自动变形为所需要的形状，且可随时间变化。
与3D打印相比，4D打印对材料有更高要求。此前大多采用水凝胶等聚合物作为4D打印“墨水”，但水凝胶聚合物应用范围有限。陶瓷前驱体材料应用广泛，但较难发生自变形，限制了其在4D打印中的发展。
吕坚研究组的这种打印技术采用复合弹性体陶瓷材料，完成了从3D打印到结构可变形的过程，实现了陶瓷折纸结构的打印和4D陶瓷打印。
他们采用成本较为低廉的“墨水直写技术”，用二氧化锆纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷复合材料，构建出3D弹性体结构。这种结构柔软且具有弹性，可拉伸至超过本身3倍的长度，并可使用金属丝让其折叠变形，形成蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、裙子等折纸结构。
研究人员利用这种柔性特质设计出一种自动拉伸装置，让3D弹性体结构的基底拉伸产生预应力，在其上面打印出主结构。当预应力释放后，主结构就会发生变形，从而形成4D打印所需的弹性体结构，热处理后可转化为4D陶瓷。
吕坚说，这种4D打印技术可广泛应用于个性化定制，优势在于采用相对简单的图纸设计，就可衍生出一系列形状相似且连续可变的结构，而传统的3D打印只能一个图纸对应一个结构。
此外，4D陶瓷热处理只需1000摄氏度即可完成，而传统陶瓷粉末烧结则需要1600摄氏度，因此4D打印工艺成本相对低廉。
研究人员认为，如将新技术应用于太空探索领域，有望将3D打印前驱体折叠起来以节省空间，进入太空后再展开获得需要的结构。