呂堅(jiān)：3/4D打印陶瓷及高熔點(diǎn)材料原理、工藝及應(yīng)用

閱讀前請(qǐng)先思考以下幾個(gè)問題：
1、4D打印陶瓷及高熔點(diǎn)材料是什么，原理是什么？
2、4D打印陶瓷及高熔點(diǎn)材料有哪些工藝？
3、4D打印陶瓷及高熔點(diǎn)材料都可以應(yīng)用在哪些方面？

呂堅(jiān)，講座教授，香港城市大學(xué)副校長，研究生院院長，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任。研究范疇包括先進(jìn)及納米材料的制備與力學(xué)性能，生物與仿生材料（多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，柔性機(jī)器人）力學(xué)，先進(jìn)材料與產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)。曾經(jīng)任由空客，EADS，SNECMA，ABB，F(xiàn)IAT等十八家公司與研究所大學(xué)參加的歐盟項(xiàng)目首席科學(xué)家。中科院沈陽金屬所客座首席科學(xué)家，北京科技大學(xué)，東北大學(xué)，南昌大學(xué)名譽(yù)教授，西安交通大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)顧問教授，上海交通大學(xué)，中南大學(xué)，上海大學(xué)等�？妥�教授。研究成果在Nature（封面文章）, Science, Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances，PRL, JMPS, Acta Materials等SCI雜志上發(fā)表350篇論文。2006年，2017年分別獲法國政府授予法國國家榮譽(yù)騎士勛章和法國國家榮譽(yù)軍人團(tuán)騎士勛章。2011年被法國國家技術(shù)科學(xué)院選為院士，2018年獲中國工程院光華工程科技獎(jiǎng)。

增材制造是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域，因?yàn)槊绹�制造的五大基本元素包括設(shè)計(jì)、材料、工藝、增材制造和價(jià)值鏈，所以我希望學(xué)校做出的研究能夠在這5個(gè)領(lǐng)域都有一定的突破。

香港城市大學(xué)是一個(gè)全球領(lǐng)先的學(xué)校，在3D打印領(lǐng)域發(fā)展的更快，因?yàn)?D打印機(jī)是本科生一年級(jí)開始就用的工具，學(xué)校有幾十臺(tái)3D打印機(jī)，分別提供給藝術(shù)系、土木系等專業(yè)的學(xué)生使用，可以打印出不同的物品。我們?cè)谠霾闹圃煅芯康闹饕�目�?biāo)包括高附加值領(lǐng)域（生物醫(yī)療、航空航天）、超納合金和納米粉，還有“墨水”新工藝及相關(guān)燒結(jié)工藝、4D打印技術(shù)還有SMAT原位3D打印增值致密處理。

學(xué)校在生物領(lǐng)域也用不同的機(jī)器打印出不同的生物零部件或器官。學(xué)校也使用全球最小的3D打印機(jī)來做一些新型的設(shè)計(jì)，比如在生命科學(xué)領(lǐng)域，我們用世界上最小的3D打印機(jī)打出來微型機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人有200條腿，因?yàn)槠渲屑恿舜判缘牟牧�，所以它可以在人的血管里跑來跑去運(yùn)輸藥物。這個(gè)成果也剛剛在《Nature Communications》上發(fā)表。

4D打印陶瓷的原理
我認(rèn)為原始創(chuàng)新的三個(gè)要素是唯一性、顛覆性和最佳性，4D打印陶瓷就是根據(jù)這個(gè)原則開展的。

超納材料是用PVD做的，也是一種增材制造，來源于液態(tài)金屬或者金屬玻璃的材料。金屬玻璃是一種非常好的3D打印材料，但是最大的問題是太脆了，它和普通的玻璃是一樣的。經(jīng)過近幾年一系列的研究，我們?cè)诮饘俨ＡУ脑鲰g領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，發(fā)展了一系列的方法和新型材料。去年我們推出了一個(gè)新型的金屬材料家族，即超納材料，也在《Nature》雜志上獲得了中國結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域首篇封面文章，也是去年中國科學(xué)家在《Nature》雜志上52個(gè)期刊里發(fā)表的唯一一篇封面文章。

這個(gè)新型金屬材料的力學(xué)性能比普通金屬合金、鎂合金高很多，也比同樣成分的金屬玻璃高很多，變形能力達(dá)6%。它的力學(xué)性能接近了材料的理論值。這項(xiàng)成果也有幸作為中國自然科學(xué)基金委季刊第三季季刊去年的封面文章。

超納材料是一種新型的顛覆性材料，可以用在具有復(fù)雜形狀的各種材料中，在高分子材料、玻璃、陶瓷材料上都可以鍍上超納材料的膜。

4D打印陶瓷和軟物質(zhì)也符合原始創(chuàng)新的三要素（唯一性、顛覆性和最佳性）。彈性體衍生的折紙?zhí)沾珊?D打印陶瓷是2018年8月發(fā)表在了《Science  Advances》，獲得了美國最大的網(wǎng)站New Scientist及美聯(lián)社、俄羅斯的新華社等眾多著名媒體的廣泛關(guān)注。

4D打印陶瓷的工藝
4D打印陶瓷的方法有很多種，這次使用的是前驅(qū)體，即先打印前驅(qū)體的基底，把這個(gè)前驅(qū)體的基底進(jìn)行應(yīng)變，在應(yīng)變的前驅(qū)體上再打印，這樣就可以打印出不同結(jié)構(gòu)的材料，用同一個(gè)系統(tǒng)打印，經(jīng)過燒結(jié)以后就得到不同類型的陶瓷材料。這種前驅(qū)體具有超高的變形能力，這樣就有機(jī)會(huì)制造出很復(fù)雜形狀的陶瓷。燒結(jié)工藝也是非常重要的，經(jīng)過燒結(jié)以后得到的是納米陶瓷，外面包裹的是非晶材料，這兩個(gè)材料結(jié)合起來使得這個(gè)材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)比同類高很多。

我們通過設(shè)計(jì)這些連接部位，使得它形成一個(gè)可變形的結(jié)構(gòu)，再用3D打印把這個(gè)結(jié)構(gòu)打印在一個(gè)有了預(yù)應(yīng)變的基底上，就可以形成多種形狀的復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)。這個(gè)工作也為陶瓷藝術(shù)家今后的發(fā)展提出了很多新的方案。

4D打印陶瓷的應(yīng)用
4D打印陶瓷也許在未來的5G手機(jī)時(shí)代就可以得到更大應(yīng)用，如打印個(gè)性化的手機(jī)背板，因?yàn)?G手機(jī)不能再用金屬背板，只能用陶瓷、玻璃或者塑料，陶瓷是在所有材料中是最高級(jí)的，因此這種技術(shù)有可能會(huì)有所應(yīng)用，同時(shí)又不阻攔5G的信號(hào)。

我們通過計(jì)算進(jìn)行復(fù)雜的打印紋路設(shè)計(jì)，從而打印出來的陶瓷形狀就會(huì)非常復(fù)雜。各種復(fù)雜形狀都可以通過變形演變出來，以前高熔點(diǎn)的材料都很難做出非常復(fù)雜形狀，今天4D打印陶瓷和打印折紙?zhí)沾删蜑槲覀冏鲞@一類的材料指出了一個(gè)新的路徑。從力學(xué)性能來講，這種結(jié)構(gòu)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通的3D打印陶瓷。

未來的發(fā)展與應(yīng)用：
1、用表面納米化的方法大幅度提高3D打印結(jié)構(gòu)的疲勞性能，比如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通過后處理或3D打印過程中的處理，可以大幅度的提高疲勞極限。
2、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱材料：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱材料發(fā)展趨勢包括新的合金、熱脹涂層陶瓷及做復(fù)雜形狀的冷卻系統(tǒng)，4D打印出的陶瓷形狀可以是非常復(fù)雜的，同時(shí)又能承受很高溫度的熱沖擊。

來源：數(shù)字維創(chuàng)