中國粉體網訊 面對諸多的應用場合，各種復雜形狀的結構陶瓷、功能陶瓷等需求越來越大，現目前制備可控可定制的復雜結構陶瓷，傳統的陶瓷制備技術已遠遠不能滿足需求。3D打印技術的出現解決來了此問題，然而，近年來，能讓3D打印的可控形狀變形，并使復雜形狀設計的多種可能性成為可能的4D打印一直吸引著材料領域的密切關注。
4D陶瓷打印是在3D打印的基礎上增加了時間維度，簡單來說，就是4D陶瓷打印可直接將設計程序內置到物料當中，隨時間變化，陶瓷材料自動變形為所需的形狀。
近日，以佛山（華南）新材料研究院為第一完成單位，聯合清華大學深圳研究生院、深圳奇遇科技有限公司在國際期刊《Additive Manufacturing》上發表題為“4D printing of ceramic structures”的相關論文，提出關于復雜陶瓷結構的4D打印策略，通過精確調整陶瓷材料的固含量和打印路徑，實現了陶瓷結構的可控變形。
4D打印實現了3D打印的可控形狀變形，并使復雜形狀設計的多種可能性成為可能。然而，4D打印通常是應用于容易變形的軟材料。而陶瓷本質上是硬而脆的，這阻礙了其在4D打印中的發展。本研究利用打印陶瓷在燒結過程中的應力不匹配，實現了陶瓷結構的4D打印。
該研究主要利用打印陶瓷在燒結過程中的應力不匹配，以達成陶瓷結構的4D打印。科研團隊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，令其燒結收縮率的內應力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致，實現其形狀由平面變為彎曲結構。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構的變形行為。最后，通過對陶瓷材料的固含量和打印路徑進行編程，實現了具有各種特性的4D打印陶瓷花朵。
采用直寫-燒結法進行陶瓷結構的4D打印。(a)將ZrO2納米顆粒與UV樹脂按不同比例混合。(b-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技術并進行UV固化處理的陶瓷片3D打印。(e)將3D打印的陶瓷片燒結后轉化為4D打印的陶瓷結構。
通過編程打印路徑實現陶瓷花朵的4D打印。(a)雙層陶瓷的頂層以不同的路徑打印。(b)燒結后各種雙層陶瓷多邊形的形狀變化。(c)燒結前后堆疊陶瓷的俯視圖。(d)燒結前后堆疊陶瓷的側視圖。
通過編程打印路徑實現陶瓷花朵的4D打印。(a)雙層陶瓷的頂層以不同的路徑打印。(b)燒結后各種雙層陶瓷多邊形的形狀變化。(c)燒結前后堆疊陶瓷的俯視圖。(d)燒結前后堆疊陶瓷的側視圖。
目前，科研團隊所提出的實現復雜陶瓷結構的4D打印策略中的直寫(Direct ink writing, DIW)技術已成功應用于液晶彈性體、磁性元件、水凝膠、形狀記憶聚合物等的4D打印。在該論文中采用DIW技術制備了雙層陶瓷片，通過對雙層ZrO2陶瓷材料的固體含量和打印路徑進行編程，實現了燒結收縮率的內應力的方向與低收縮率材料的軸向方向一致。與目前用于生產復雜形狀陶瓷的傳統工藝相比，本次所提出的4D打印工藝使其能夠自下而上地打印陶瓷結構。
燒結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)燒結后雙層陶瓷方塊的形狀變化。(c)陶瓷方塊燒結前后的對比。(d)燒結后雙層陶瓷矩形的幾何形狀。(e)燒結后雙層陶瓷橢圓的幾何形狀。比例尺為10mm。
下一步，研究院將繼續著力開展陶瓷3D打印及增材制造領域科學技術攻關，為佛山增材制造產業的持續發展提供強大技術支撐，為廣東省經濟高質量發展助力。
來源：南極熊3D打印、佛山（華南）新材料研究院、奇遇科技ADTE
（中國粉體網編輯整理/空青）
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