3D打印的創新潮流還沒鋪開，4D打印技術就已經出現了。近日，香港城市大學研究小組在材料研究方面取得了突破性進展，成功開發出世界上首個4D陶瓷打印技術，打印出的成品在形狀複雜的同時，還維持了很高的機械強度，這將為陶瓷的結構應用翻開新的一頁。
陶瓷的熔點很高，因此，傳統的激光打印在這上面無能為力，而採用現有的3D打印技術，因為陶瓷前體通常難以變形，也無法生產形狀複雜的物件。為了克服這些挑戰，城大團隊開發了一種新型的“陶瓷油墨”，將聚合物和納米陶瓷顆粒混合。用這種新型油墨打印出的三維陶瓷，前體柔軟，可以拉伸至原來的3倍長度。有了可彎曲、可拉伸前體，就能通過適當的熱處理，製成形狀複雜的陶瓷成品。
（香港城市大學4D打印陶瓷成品，圖片來源於Techxplore）
該團隊由城大機械工程講座教授盧建(音)領導，作為一位傑出的材料科學家，他從事的是從製造納米材料和先進結構材料到表面工程計算模擬的研究。本次在彈性前體上的進展，意味著研究團隊研究的2種4D陶瓷打印方法取得了新的突破。
所謂“4D打印”，就是讓傳統的3-D打印，結合額外第四維元素——時間的技術。通過3D打印打印出前體後，它會隨著時間推移，在外部刺激，如機械力、溫度或磁場的作用下，重新塑造成獨特的形狀。在這項研究中，研究小組利用的，就是前體在拉伸過程中儲存的彈性能量。當拉伸過的陶瓷前體被打印出來後，它們就會自我重塑。再經過熱處理，前體即成型為陶瓷。
合成的彈性材料陶瓷具有相當高的機械強度。它們具有高的抗壓強度-密度比(在1.6 g cm-3微晶格上為547 MPa)，與其他3D打印陶瓷相比，它們在尺寸增大的同時，還保留了較高強度。
“整個過程聽起來很簡單，但事實並非如此，” 盧教授說，“從油墨的製造到印刷系統的開發，我們嘗試了多次多種不同的方法。就像擠壓蛋糕上的糖霜一樣，從奶油的類型和噴嘴的大小，到擠壓的速度和力度，以及溫度，有很多因素會影響結果。”
在他們試驗第一種打印方法中，首先用新型油墨3D打印出了陶瓷前體和基體，再用雙軸拉伸裝置拉伸基體，在基體上打印連接前體的接頭，然後將前體放置在拉伸的基體上。隨著時間推移，在計算機編程控制和拉伸基體的回彈下，材料逐漸向設計中的形狀成型。
而在第二種方法中，他們設計的圖案直接打印成陶瓷前體，然後在計算機程序控制下變形。
這項創新發表在最新一期的頂級學術期刊《科學進展》(Science Advances)上，題為“彈性材料陶瓷結構的製作與4D打印”。研究團隊成員均來自香港城市大學，包括研究助理劉國(音)博士、高級研究員趙巖(音)博士、研究員吳歌(音)博士。
（香港城市大學4D打印陶瓷成品，圖片來源於Techxplore）
盧教授說:“4D打印的陶瓷前體具有良好的變形能力，應用範圍非常廣泛。其中一個應用方向是電子學，陶瓷材料在傳輸電磁信號方面比金屬材料有更好的性能。隨著5G時代的到來，陶瓷製品將在電子產品的中扮演更加重要的角色。陶瓷的藝術性和形成複雜形狀的能力也為消費者定製的陶瓷手機背板提供了可能。”
此外，這一技術更宏遠的前途是應用在航空航天領域。盧教授表示：“由於陶瓷是一種能承受高溫，且機械強度高的材料，這種4D打印陶瓷在製作航空航天推進器部件上，有很大潛力。”
隨著在材料技術和4D打印技術的繼續進步下，盧教授表示，他們下一步目標是提高材料的機械性能，比如提高其韌性。
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