陶瓷4D打印新進(jìn)展！奇遇科技團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印

南極熊導(dǎo)讀:近年來，4D打印相關(guān)研究一直吸引著增材制造及材料領(lǐng)域的密切關(guān)注，所謂 “4D打印”可以簡(jiǎn)單的理解為“3D打印+時(shí)間”：由3D技術(shù)打印出來的結(jié)構(gòu)能夠在外界激勵(lì)下隨著時(shí)間發(fā)生形狀或者結(jié)構(gòu)的改變。

南極熊獲悉，深圳奇遇科技有限公司聯(lián)合清華大學(xué)深圳研究生院和佛山（華南）新材料研究院，提出并成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)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(shí)現(xiàn)了陶瓷結(jié)構(gòu)的可控形狀變形。相關(guān)研究成果以“4D printing of ceramic structures”為題發(fā)表于國(guó)際期刊《Additive Manufacturing》。奇遇科技團(tuán)隊(duì)王鋒博士和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Chenchen Liu為共同一作，清華大學(xué)深圳研究生院和佛山（華南）新材料研究院作為通訊作者單位，該研究所采用的陶瓷漿料及精細(xì)直寫3D打印設(shè)備均由深圳奇遇科技有限公司提供。

4D打印實(shí)現(xiàn)了3D打印的可控形狀變形，并使復(fù)雜形狀設(shè)計(jì)的多種可能性成為可能。然而，4D打印通常是應(yīng)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(yīng)力不匹配，實(shí)現(xiàn)了陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印。一般來說，3D打印陶瓷體燒結(jié)后的收縮率與所用陶瓷材料的固體含量成反比。奇遇科技團(tuán)隊(duì)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(yīng)力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致，實(shí)現(xiàn)其形狀由平面變?yōu)閺澢�結(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)的形狀變形行為。最后，通過對(duì)陶瓷材料的固含量和打印路徑進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了具有各種特性的4d打印陶瓷花朵。

研究?jī)?nèi)容解讀
奇遇科技團(tuán)隊(duì)提出了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印策略。直寫(Direct ink writing, DIW)技術(shù)已成功應(yīng)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。本文采用DIW技術(shù)制備了雙層陶瓷片，通過對(duì)雙層ZrO2陶瓷材料的固體含量和打印路徑進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)收縮率的內(nèi)應(yīng)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(fù)雜形狀陶瓷的傳統(tǒng)工藝相比，奇遇科技團(tuán)隊(duì)所提出的4D打印工藝使我們能夠自下而上地打印陶瓷結(jié)構(gòu)。


在近期研究中，為實(shí)現(xiàn)陶瓷領(lǐng)域的新突破，奇遇科技團(tuán)隊(duì)提出并研究了陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印。研究人員首先估算了不同固含量的陶瓷材料的燒結(jié)收縮率，然后利用DIW工藝制備了雙分子層ZrO2陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)過程中雙層陶瓷的頂部和底部的收縮不匹配實(shí)現(xiàn)了其形狀的變化。從而通過燒結(jié)衍生的雙分子層自變形實(shí)現(xiàn)陶瓷的4D打印。在DIW 直寫3D打印過程中，陶瓷材料的固含量和打印路徑都會(huì)影響陶瓷的自變形過程。通過精確調(diào)整上述兩個(gè)參數(shù)，可以獲得模擬花朵幾何形狀的4D打印陶瓷結(jié)構(gòu)。這一4D打印工藝為直寫-燒結(jié)工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)提供了一種可行的策略。同時(shí)，奇遇科技提出的4D打印陶瓷結(jié)構(gòu)也展示了一種可編程的自變形策略，這是一種應(yīng)用場(chǎng)景廣泛的自下而上的前沿陶瓷制造方法。

△圖1采用直寫-燒結(jié)法進(jìn)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。(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(jìn)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)。

△圖2陶瓷網(wǎng)格燒結(jié)后的流變性能和收縮率。(a)固含量為75 wt %的復(fù)合材料的彈性模量(G’)和粘彈性模量(G”)。(b)隨著ZrO2納米顆粒固相含量的增加，UV墨水中陶瓷網(wǎng)格的X方向收縮率降低。插圖顯示了燒結(jié)前后陶瓷晶格的幾何形狀。

△圖3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(duì)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。

△圖4通過編程打印路徑實(shí)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。

△圖5通過調(diào)節(jié)UV墨水固含量實(shí)現(xiàn)陶瓷花的4D打印。(a)燒結(jié)后各種雙層陶瓷多邊形和疊層陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀變化。(b)燒結(jié)后雙層陶瓷的微觀形貌。(c) 4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)所模仿的花朵幾何圖形。

△圖6該示意圖顯示了燒結(jié)后的彎曲情況。(a)簡(jiǎn)化的二維雙分子層陶瓷體系。(b) 代表本工作中DIW打印樣品的簡(jiǎn)化2D系統(tǒng)。