可承受近3輛特斯拉跑車的重量，4D打印陶瓷是如何形成的？

演繹 inSite 第二十七期節(jié)目：4D 打印，陶瓷何以變形？

演講嘉賓：劉果 香港城市大學博士后

大家好，我叫劉果，來自香港城市大學，今天我想跟大家分享的題目是：4D 打印，陶瓷何以變形？

大家都知道 3D 打印，3D 打印是指我們構建一個 3D 的數(shù)字化模型，通過一層一層材料堆積的方式，構建一個三維的結構材料。4D 打印一般是指用于 3D 打印的材料，可以在一定的刺激下，比如水、電、光、熱等，發(fā)生可以編程的自主變形。一般來說現(xiàn)在 4D 打印的材料集中在高分子材料上，比如水凝膠等。

陶瓷是一種非常堅硬的材料，不易發(fā)生變形，所以限制了陶瓷 4D 打印的方法。香港城市大學呂堅教授團隊開發(fā)了一種新的陶瓷墨水，這種墨水可以同時具有三個功能：首先它可以 3D 打印出復雜的高分子結構，并且因為它是軟的、有彈性的，可以發(fā)生可編程自變形，最后通過一系列的物理和化學反應，這種彈性體就轉換成了陶瓷，有這三個元素支撐我們就開發(fā)了陶瓷 4D 打印的概念。

首先，我想跟大家介紹一下 3D 打印陶瓷的方法。我們通過墨水直寫的方式，把陶瓷墨水裝在一個料筒中，通過氣壓擠出的方式打印出三維結構的陶瓷前驅體，然后把它加熱就變成了陶瓷。

比如這個白色的立方塊，它是 3D 打印出的陶瓷前驅體，它是軟的，有彈性，里面還有一些非常精細的網(wǎng)格結構。而這個黑色立方塊，就是它加熱之后，經(jīng)過物理化學變化轉變成的陶瓷結構。可以看到，轉變后立方塊還是立方塊，它有著很好的形狀保持能力，如果仔細觀察的話，里面精細的網(wǎng)格結構也得到了很好的保持。

圖 | 3D 打印的陶瓷前驅體

3D 打印的陶瓷前驅體具有很強的彈性，可以反復折疊。我們在拉伸機中進行了測試，可以拉到它原始長度的三倍以上然后回彈，我們可以利用這一點，把彈性勢能儲存起來再釋放，這也奠定了 4D 打印陶瓷的基礎。最終形成的是一個多級的陶瓷結構，多級就是說宏觀上來看，打印出的結果是一個厘米級的、肉眼可見的網(wǎng)格結構，網(wǎng)格只是其中一個代表，我們還可以通過數(shù)字編程來設計打印其他結構。如果把結構放大，還可以看到非常精細的、大概有 0.2 毫米粗的絲組成的網(wǎng)格結構。如果把每根絲再放大，可以看到里面有大概 50 納米的顆粒，我們的一根頭發(fā)絲的直徑大概是 50 微米，也就是說里面的納米顆粒的直徑大概是千分之一的頭發(fā)絲的直徑。如果我們再進一步放大，還有機會看到小于 10 納米的所謂的超納孔。肉眼看上去它是一個像皮筋一樣的陶瓷前驅體，但實際上它具有納米材料的一些功能。

在這種 3D 打印陶瓷的方法的基礎上，我們利用了陶瓷前驅體的變形能力，做了一些陶瓷折紙結構。陶瓷折紙結構不是 4D 打印的，因為它不是自主的變形。但它是一種折紙藝術，可以做出很多好玩的、很復雜的一些陶瓷結構。這個過程其實也很簡單，首先打印出陶瓷前驅體，在手工和一些金屬絲的輔助下折成我們想要的結構，比如圖中的蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰花、或者裙擺的結構。

圖 | 陶瓷折紙結構

關于這種陶瓷折紙結構實現(xiàn)的復雜性，我們可以通過一個數(shù)學概念高斯曲率 K 來理解。我們可以把陶瓷折紙和常見的折紙進行對比，常見的折紙使用 A4 紙或餐巾布，只能實現(xiàn) k 等于零的結構，而對一些復雜的曲率，k 大于零或 k 小于零，比如圖中花環(huán)結構，這些傳統(tǒng)材料因為不能拉伸而無法實現(xiàn)。

圖 | 打印陶瓷前驅體

在打印陶瓷折紙技術基礎上，我們開發(fā)了 4D 打印陶瓷的概念，4D 打印陶瓷其實就是相當于把打印折紙中手動的一部分數(shù)字化和自動化。用拉伸機作為代表，我們把打印的陶瓷前驅體進行拉伸。

圖 | 拉伸前驅體并在上面打印所需結構

拉伸之后在上面可以打印需要的結構，比如三浦折紙結構，這是一種非常經(jīng)典的拓撲結構。當我們釋放之前拉伸的預應力時，上面的三浦折紙結構就會屈曲變形，形成一個三維的結構，最后把這個 4D 打印的陶瓷前驅體進行熱處理就可以得到 4D 打印的陶瓷。

圖 | 4D 打印陶瓷過程

4D 打印陶瓷最核心的部分在于陶瓷前驅體的彈性，我們可以利用這種彈性勢能激發(fā)可編程的自主變形。4D 打印陶瓷的另外一種方法同樣是利用陶瓷前驅體的彈性勢能，我們先拉伸要打印的陶瓷前驅體，然后在上面打印設計一些結構，比如和拉伸方向一致的條紋結構，當我們釋放這個預應力的時候，它就會在這個應力的作用下發(fā)生變形，最終形成彎曲結構。

而如果我們把這個與應力方向平行的條紋改成與應力方向成 45 度角的時候，它就會發(fā)生螺旋變形。如果我們正反兩面打印條紋，就有機會得到馬鞍面的造型。我們不但可以改變條紋的角度，還可以改變條紋的密度，由此設計出很多復雜的陶瓷結構。

圖 | 多種陶瓷結構

下面跟大家介紹一下 4D 打印陶瓷的一些基本優(yōu)勢。第一點從能源和時間上來看，4D 打印陶瓷具有一定的成本優(yōu)勢。能源上它不需要 3D 光刻法所需要的激光或者紫外線能源，這些相對來說是比較昂貴的，也不需要傳統(tǒng)陶瓷粉末燒結技術所需要的大概 1600 度以上的高溫，前驅體轉變的溫度 1000 度就可以實現(xiàn)了，所以體現(xiàn)了能源上的成本優(yōu)勢。

當我們需要設計一系列類似結構的時候，時間上的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，因為傳統(tǒng)的 3D 打印是一對一的，設計一個三維模型就打印出來一個三維結構，而 4D 打印就可以通過改變刺激的大小、刺激的方式，從一個非常簡單的結構得到一系列形狀相似的結構，所以在某些特定的情形下它具有時間上的成本優(yōu)勢。

第二點是 4D 打印陶瓷可以實現(xiàn)比較復雜的結構。除了我們前面提到的折紙結構，我們還可以實現(xiàn)非常薄的，大概 0.2 毫米的平板網(wǎng)格鏤空結構、曲面蜂窩結構，這些對于傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝來說是不太容易實現(xiàn)的。

另外陶瓷前驅體還具有拉伸到超過三倍其本身長度的強變形能力。這個或許可以用在太空探索中，我們知道在太空探索的過程中空間是非常珍貴的，那我們就可以把陶瓷前驅體材料折疊起來，節(jié)省空間，當飛船到太空之后再把它展開，利用太陽能或者是地面的激光，使陶瓷前驅體局部地或者全部地陶瓷化，因為陶瓷是一種耐高溫、耐高壓的材料，所以相當于給太空飛船的某些部分穿上了一層「保護衣」，這個對于嚴苛環(huán)境中是比較有用的。

最后我們比較關心打印陶瓷的機械性能，經(jīng)過測試，打印的陶瓷抗壓強度可以達到 547 兆帕，這就是說可以在上面壓大概將近三輛特斯拉跑車的重量。從比強度的概念上與其他材料相比，比強度是強度比密度，體現(xiàn)的是輕質高強的概念，很多有非常高的比強度的材料只能實現(xiàn)比較小的結構，有的甚至是納米、微米的結構，大大限制它在工業(yè)領域的應用，而可以達到比較大的厘米級的、宏觀尺度的陶瓷結構的機械性能又非常低，所以就相當于魚和熊掌不可兼得。而我們目前制造的硅基陶瓷納米復合材料，可以兼得高的比強度和大的尺寸，這將會大大拓展材料在機械工程領域的應用。

來源：DeepTech深科技

我想跟大家展望一下 4D 陶瓷打印技術的應用前景。首先跟大家分享一下它在 3C 產(chǎn)品中的應用，隨著 5G 時代的到來，陶瓷材料將會越來越多地應用在 3C 產(chǎn)品中，因為相比于塑料來說它的品質更高、顏值更高、質感更好；相比于金屬來說，金屬有電磁屏蔽效應，所以陶瓷在信號傳輸上比金屬要好；相比于玻璃，陶瓷又耐磨防刮，所以它會起到越來越多的作用。

而 4D 打印陶瓷會在這里面扮演什么角色呢？因為陶瓷前驅體是可以折疊的，那我們就可以設計結構，使得打印出的陶瓷一部分是陶瓷、一部分是陶瓷前驅體。而且我們可以設計它們結合的方式，這樣就可以實現(xiàn)類似于軟陶瓷或者彈性陶瓷，進而應用在我們手機的背板等地方。

還有一個高溫領域的應用是航空發(fā)動機，因為陶瓷材料的高熔點，使得制造這種復雜的陶瓷結構是比較困難的；還有一個與個性化定制設計息息相關的生物醫(yī)療領域，人體中的牙齒和骨骼都是不同材料的陶瓷，那我們就有機會應用 3D 打印進行個性化設計，而且因為陶瓷墨水是一個開放性系統(tǒng)，它可以根據(jù)你需要的功能來調整里面陶瓷的配方，所以它在生物醫(yī)療領域的應用也值得期待。

最后，我想介紹一下我們的 4D 打印陶瓷的科研團隊，我們團隊的負責人是呂堅教授，他是法國國家技術科學院院士，也是香港城市大學主管研究和科技的副校長，也是我的博士導師。我們的工作去年 8 月份發(fā)表在 Science Advances 科學進展雜志上，我的師兄趙巖博士和吳戈博士都是這個工作的核心成員，謝謝大家！