中國粉體網(wǎng)訊 面對諸多的應(yīng)用場合，各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷等需求越來越大，現(xiàn)目前制備可控可定制的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷，傳統(tǒng)的陶瓷制備技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)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(fù)雜形狀設(shè)計(jì)的多種可能性成為可能的4D打印一直吸引著材料領(lǐng)域的密切關(guān)注。
4D陶瓷打印是在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時間維度，簡單來說，就是4D陶瓷打印可直接將設(shè)計(jì)程序內(nèi)置到物料當(dāng)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(lián)合清華大學(xué)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(fā)表題為“4D printing of ceramic structures”的相關(guān)論文，提出關(guān)于復(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)的可控變形。
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。
該研究主要利用打印陶瓷在燒結(jié)過程中的應(yīng)力不匹配，以達(dá)成陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印。科研團(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Y(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)的變形行為。最后，通過對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。
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。(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(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)。
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。
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。
目前，科研團(tuán)隊(duì)所提出的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的4D打印策略中的直寫(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。在該論文中采用DIW技術(shù)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(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，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(jié)構(gòu)。
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。
下一步，研究院將繼續(xù)著力開展陶瓷3D打印及增材制造領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)攻關(guān)，為佛山增材制造產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支撐，為廣東省經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)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(wǎng)編輯整理/空青）
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