香港城市大学吕坚教授组研发陶瓷4D打印技术

香港城市大学吕坚教授研究组全球首次实现了陶瓷的 4D 打印(Four-dimensional printing)。 今天，相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances 上。这种 4D 打印结合了 3D 打印(Three-dimensional printing)，自变形 组装(Self-shaping assembly)，和弹性体衍生陶瓷(Elastomer-derived ceramics，EDCs)， 在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度，机械强度，制造成本，和适应复杂环境能力上实现了 突破，有望广泛应用在太空探索，3C 电子产品，航空发动机，防弹军事装备，和高温微 机电系统等领域中。

4D 打印一般是指在 3D 打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激(譬如热，水， 磁场，电流，紫外线等)下，3D 打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D 打 印技术之前大都应用在聚合物材料中，之前报道的可以 3D 打印的陶瓷前驱体材料通常较 难发生自变形，限制了陶瓷 4D 打印的发展。有鉴于此，吕坚教授研究组从材料出发，开 发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体。这些弹性体材料的特性使 其可以完成从 3D 打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，从而逐步实现打印陶瓷 折纸结构(Printed ceramic origami)和 4D 打印陶瓷 (4D printing of ceramics)。

该文章的第一作者是刘果博士，第二作者是赵岩博士，第三作者是吴戈博士，通讯作者是吕坚教授。所有作者均来自吕坚教授研究组。

3D打印陶瓷

在此次研究中，他们先实现了 3D 打印陶瓷。他们采用了墨水直写打印(Direct ink writing) 这种成本较为低廉的打印方式，构建弹性体 3D 结构，然后在氩气或真空中进行热处理， 得到一级陶瓷，然后在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。开发这两级陶瓷可以丰富 材料的外观，譬如这里一级陶瓷是黑色的，而二级陶瓷是白色的。

3D 打印出的陶瓷前驱体不仅是软的，而且具有弹性，可以拉伸至超过 3 倍于材料本身的 长度，这为 4D 打印提供了自变形组装的可能。

打印陶瓷折纸结构

然后他们实现了陶瓷折纸结构。3D 打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形， 经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝可以被硝酸销蚀掉，最后只剩下陶瓷结构。他 们由此构建了复杂陶瓷折纸结构，包括蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、和裙子。

注:本报道图片中所有未标注的线状比例尺均为 1 厘米。

4D 打印陶瓷:方法一

在方法一中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将 3D 打印的基底在两个方向进 行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用 于连接基底和其上的 3D 打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中 的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成 4D 打印的弹性体结构，热处理后 进而形成 4D 打印的陶瓷结构。他们由此构建了经典的拓扑结构三浦折叠(Miura-ori)。

4D 打印陶瓷:方法二

在方法二中，陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生 4D 变形。

他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子，其中包括弯曲，螺旋，和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉伸方向的夹角等。

优点一:

当需要制造一系列相似形状的陶瓷时，这种 4D 打印的概念就会体现出时间上的高效。因 为只需要一个相对简单的图纸设计，就可以衍生出一系列的形状上相似且连续可变的结构， 而传统的 3D 打印只能一个图纸设计对应一个结构。这个优点所带来的在时间成本上的突 破，将会在定制设计上体现得尤其明显。