香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)：陶瓷3D/4D打印在中國(guó)的發(fā)展

來(lái)源：AMF增材制造前沿

增材制造（快速成形）技術(shù)已在我國(guó)發(fā)展 30 余年，為向全球?qū)W者介紹中國(guó)的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 執(zhí)行主編李滌塵教授的帶領(lǐng)下，組織策劃了“中國(guó)增材制造 30 年發(fā)展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通過(guò)十余個(gè)國(guó)內(nèi)增材制造領(lǐng)域的代表性團(tuán)隊(duì)的高質(zhì)量論文，向大家介紹過(guò)去 30年來(lái)我國(guó)增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程、主要研究成果以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

引用論文

Xinya Lu, Guo Liu, Jian Lu. Development of Ceramic 3D/4D Printing in China. Additive Manufacturing Frontiers, 2024, 200158.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200158.

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000480


1 研究現(xiàn)狀

30年來(lái)，中國(guó)在逐點(diǎn)/線/面打印陶瓷技術(shù)上取得一系列成果，涵蓋材料研發(fā)、工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控和功能應(yīng)用。4D打印方面，在新材料（4D打印彈性體衍生陶瓷）、新工藝（4D增減材復(fù)合制造陶瓷）和新功能（4D打印形狀記憶陶瓷）取得一定發(fā)展。陶瓷打印在航空航天、能源環(huán)境、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

2 研究難點(diǎn)或瓶頸

目前，陶瓷增材制造領(lǐng)域面臨諸多挑戰(zhàn)，如高性能陶瓷打印材料的穩(wěn)定性控制、后處理工藝中的開(kāi)裂及變形控制、打印精度與效率協(xié)同優(yōu)化、材料固有脆性難題、復(fù)雜形狀復(fù)合功能器件成型、高端打印裝備的材料-工藝一體化研發(fā)等。此外，4D打印陶瓷技術(shù)在新設(shè)計(jì)、新性能上、新裝備發(fā)展上的難點(diǎn)是下一階段突破的重要瓶頸。

3 展望

陶瓷3D打印的精度有待進(jìn)一步提高，而逐體打印乃至逐群打印是提高陶瓷材料制造效率的關(guān)鍵。隨著跨學(xué)科研究的發(fā)展，結(jié)構(gòu)材料的多材料、多模量、多尺度、多系統(tǒng)、多維度和多功能的增材制造將為材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化成型制造和智能制造提供多種解決方案。4D增減材復(fù)合制造陶瓷體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)陶瓷藝術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的融合，為制造連接自然與技術(shù)的智能仿生結(jié)構(gòu)提供了新的解決方案。4D打印形狀記憶陶瓷將在開(kāi)發(fā)功能材料方面發(fā)揮重要作用。4D打印的多功能變形材料和驅(qū)動(dòng)機(jī)制正在激勵(lì)研究人員為特定的陶瓷制造需求設(shè)計(jì)解決方案。同時(shí)新型高端制造設(shè)備的研發(fā)將促進(jìn)新材料、新工藝、新功能的發(fā)展。

4 代表性圖片

表1 逐點(diǎn)/線/面打印陶瓷技術(shù)分類及對(duì)應(yīng)術(shù)語(yǔ)

圖1 陶瓷4D打印在新材料、新工藝、新功能上的發(fā)展體系

圖2 陶瓷打印前景：(a)陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；(b) 結(jié)構(gòu)材料增材制造的多元化展望；(c) 陶瓷4D打印的潛在應(yīng)用

作者介紹

呂堅(jiān)（團(tuán)隊(duì)帶頭人），法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士，香港工程科學(xué)院（HKAES）院士，AMF副主編，香港城市大學(xué)工學(xué)院院長(zhǎng)，機(jī)械工程講席教授，國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心主任，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任，深圳福田研究院先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與增材制造研究部主任，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心大灣區(qū)研究部主任。研究方向涉及先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學(xué)性能，機(jī)械系統(tǒng)仿真模擬設(shè)計(jì)。曾任法國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)中(CETIM)高級(jí)研究工程師和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、法國(guó)特魯瓦技術(shù)大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系系主任、法國(guó)教育部與法國(guó)國(guó)家科學(xué)中心（CNRS）機(jī)械系統(tǒng)與并行工程實(shí)驗(yàn)室主任、香港理工大學(xué)機(jī)械工程系系主任、講座教授、香港城市大學(xué)院長(zhǎng)，副校長(zhǎng)兼研究生院院長(zhǎng)。中科院首批海外評(píng)審專家，中科院沈陽(yáng)金屬所客座首席研究員，東北大學(xué)、北京科技大學(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)、上海交通大學(xué)和西南交通大學(xué)顧問(wèn)教授，上海大學(xué)、中山大學(xué)、中南大學(xué)等大學(xué)客座教授，中科院知名學(xué)者團(tuán)隊(duì)成員，2011年被法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國(guó)總統(tǒng)任命獲法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)騎士勛章及法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章，2018年獲中國(guó)工程院光華工程科技獎(jiǎng)。在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等專業(yè)期刊上發(fā)表論文500余篇，引用4萬(wàn)4千余次，已取得86項(xiàng)歐、美、中授權(quán)專利。

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https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

魯馨雅（第一作者），香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生，從事3D/4D打印高溫材料及新型裝備研發(fā)相關(guān)研究。在Adv. Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Addit. Manuf. Front.、Corros. Sci.期刊發(fā)表論文4篇，申請(qǐng)美國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)、中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)，獲中國(guó)材料大會(huì)暨世界材料大會(huì)“高水平學(xué)術(shù)墻報(bào)”獎(jiǎng)。

劉果（共同第一作者），中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任研究員、博士生導(dǎo)師，入選中國(guó)科學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目。2013年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2018年于香港城市大學(xué)獲得博士學(xué)位（導(dǎo)師：呂堅(jiān)院士），隨后在香港城市大學(xué)從事博士后研究，主持香港研究資助局博士后獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃。長(zhǎng)期從事納米復(fù)合陶瓷材料的3D/4D增減材復(fù)合制造技術(shù)及相關(guān)新型裝備的研發(fā)，以第一/通訊作者（含共同）在Sci. Adv.、Adv. Mater.（Back Cover論文）、J. Mater. Sci. Technol.（Cover論文）、Mater. Sci. Eng. R Rep.（ESI高被引論文）、Engineering、Ceram. Int.、Rare Metals、Addit. Manuf. Front.期刊上發(fā)表論文，獲授權(quán)2D/3D/4D打印陶瓷技術(shù)系列美國(guó)發(fā)明專利5項(xiàng)、中國(guó)發(fā)明專利5項(xiàng)。獲評(píng)“中國(guó)十大新銳科技人物”，擔(dān)任Advanced Powder Materials青年編委、香港發(fā)明創(chuàng)新總會(huì)及廣東省機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造（3D打�。┓謺�(huì)的理事、損傷與斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用研討會(huì)分會(huì)主席。