呂堅(jiān)院士：4D打印陶瓷將有巨大的應(yīng)用前景

2019年9月19-21日，IAME中國(guó)（西安）國(guó)際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇在西安高新國(guó)際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場(chǎng)全程報(bào)道。

△呂堅(jiān)院士為“2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復(fù)合材料”的報(bào)告

在高峰論壇上，法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院院士、香港城市大學(xué)講座教授呂堅(jiān)做了題為“2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復(fù)合材料”的報(bào)告。會(huì)后，南極熊專訪了呂堅(jiān)院士。

△南極熊專訪呂堅(jiān)院士

南極熊：呂院士你好，我是南極熊3D打印網(wǎng)的代表，很高興您能接受我們的采訪。您剛才做了關(guān)于金屬和陶瓷3D打印的報(bào)告，可以簡(jiǎn)單說說其技術(shù)原理嗎？
呂堅(jiān)院士：我在“2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復(fù)合材料”的報(bào)告中，介紹的是陶瓷復(fù)合材料和金屬材料，不是金屬和陶瓷復(fù)合材料。但是陶瓷本身就是一個(gè)復(fù)合材料，是一個(gè)高分子前驅(qū)體和一個(gè)納米陶瓷粉結(jié)合到一起以后，做成一種墨水，通過3D打印成型，然后再燒結(jié)出來一個(gè)雙相的陶瓷材料，所以它的力學(xué)性能都比較好。

南極熊：從2D到3D到4D，這個(gè)過程當(dāng)中會(huì)有什么樣的不一樣變化？
呂堅(jiān)院士：我管他叫2D，是因?yàn)楝F(xiàn)在用2D的金屬材料來增強(qiáng)3D打印以后的結(jié)構(gòu)，2D就是物理氣相沉積（PVD），但因?yàn)樽龅貌粔蚝�，現(xiàn)在只能做到十個(gè)微米，真正的2D材料是幾百個(gè)納米。我們現(xiàn)在可以做80個(gè)納米到幾十個(gè)微米，以后要做微型器件的3D打印，可能會(huì)用到相應(yīng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)提升。

南極熊：4D打印如何理解呢？
呂堅(jiān)院士：4D有兩種，我們這第4D是就是前驅(qū)體，打印在一個(gè)預(yù)變形的基體上，根據(jù)預(yù)變形的不同，最后產(chǎn)生的三維形狀是不同的。但因?yàn)轭A(yù)變形是通過計(jì)算和可編程的，所以全世界也都承認(rèn)這個(gè)是4D打印。實(shí)際上，我們也做了很多其他的工藝，比如說3D打印后，通過加一個(gè)磁力改變形狀，或者放到水里改變形狀，或者放到酒精里改變形狀，獲得不同的結(jié)構(gòu)；當(dāng)然隨著時(shí)間的不同，它的反應(yīng)程度也不同。

南極熊：這個(gè)技術(shù)在哪些領(lǐng)域上會(huì)有一些比較前沿的應(yīng)用？
呂堅(jiān)院士：例如我剛才說的微型器械，還有航空領(lǐng)域、3C產(chǎn)業(yè)，像手機(jī)里有很多小的陶瓷部件，現(xiàn)在都是用機(jī)加工做的，但價(jià)錢昂貴，而且形狀比較簡(jiǎn)單。以后如果可以打印的話，我相信會(huì)有很多新的設(shè)計(jì)方案出來。還有就是3D打印手機(jī)外殼，手機(jī)外殼是一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)，如果真的成功的話，那就是百億級(jí)的產(chǎn)業(yè)。

關(guān)于呂堅(jiān)院士的陶瓷4D打印
2018年8月，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士研究組全球首次實(shí)現(xiàn)了陶瓷的4D打�。‵our-dimensional printing），相關(guān)研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”為題發(fā)表在Science Advances上。

這種4D打印結(jié)合了3D打�。═hree-dimensional printing），自變形組裝（Self-shaping assembly），和彈性體衍生陶瓷（Elastomer-derived ceramics，EDCs），在大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜程度，機(jī)械強(qiáng)度，制造成本，和適應(yīng)環(huán)境變化能力上實(shí)現(xiàn)了突破，有望廣泛應(yīng)用在太空探索，3C電子產(chǎn)品，航空發(fā)動(dòng)機(jī)，防彈軍事裝備，和高溫微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中。

4D打印一般是指在一定刺激（譬如熱，水，磁場(chǎng)，電流，紫外線等）下，3D打印物體的形狀和功能隨著時(shí)間發(fā)生可編程變化。4D打印技術(shù)之前大都應(yīng)用在聚合物材料中，包括水凝膠，形狀記憶聚合物等。之前報(bào)道的可以3D打印的陶瓷前驅(qū)體材料通常較難發(fā)生自變形，限制了陶瓷4D打印的發(fā)展。

有鑒于此，呂堅(jiān)院士研究組從材料出發(fā)，開發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體。這些彈性體材料的特性使其可以完成從3D打印到變形的過程，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu)，從而逐步實(shí)現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)（Printed ceramic origami）和4D打印陶瓷 （4D printing of ceramics）。

文獻(xiàn)鏈接：https://advances.sciencemag.org/ ... 8/eaat0641.full.pdf