我國科學(xué)家首次實(shí)現陶瓷4D打印
8月17日發(fā)表在新一期美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的研究顯示，中國香港城市大學(xué)呂堅教授研究組首次實(shí)現了陶瓷4D打印。這種新技術(shù)有望應用于太空探索、電子產(chǎn)品和航空發(fā)動(dòng)機制造等領(lǐng)域。
4D打印，就是在3D打印基礎上增加了時(shí)間維度。4D打印直接將設計內置到物料當中，讓材料在設定的時(shí)間自動(dòng)變形為所需要的形狀，且可隨時(shí)間變化。
與3D打印相比，4D打印對材料有更高要求。此前大多采用水凝膠等聚合物作為4D打印“墨水”，但水凝膠聚合物應用范圍有限。陶瓷前驅體材料應用廣泛，但較難發(fā)生自變形，限制了其在4D打印中的發(fā)展。
呂堅研究組的這種打印技術(shù)采用復合彈性體陶瓷材料，完成了從3D打印到結構可變形的過(guò)程，實(shí)現了陶瓷折紙結構的打印和4D陶瓷打印。
他們采用成本較為低廉的“墨水直寫(xiě)技術(shù)”，用二氧化鋯納米顆粒摻雜的聚二甲基硅氧烷復合材料，構建出3D彈性體結構。這種結構柔軟且具有彈性，可拉伸至超過(guò)本身3倍的長(cháng)度，并可使用金屬絲讓其折疊變形，形成蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰、裙子等折紙結構。
研究人員利用這種柔性特質(zhì)設計出一種自動(dòng)拉伸裝置，讓3D彈性體結構的基底拉伸產(chǎn)生預應力，在其上面打印出主結構。當預應力釋放后，主結構就會(huì )發(fā)生變形，從而形成4D打印所需的彈性體結構，熱處理后可轉化為4D陶瓷。
呂堅說(shuō)，這種4D打印技術(shù)可廣泛應用于個(gè)性化定制，優(yōu)勢在于采用相對簡(jiǎn)單的圖紙設計，就可衍生出一系列形狀相似且連續可變的結構，而傳統的3D打印只能一個(gè)圖紙對應一個(gè)結構。
此外，4D陶瓷熱處理只需1000攝氏度即可完成，而傳統陶瓷粉末燒結則需要1600攝氏度，因此4D打印工藝成本相對低廉。
研究人員認為，如將新技術(shù)應用于太空探索領(lǐng)域，有望將3D打印前驅體折疊起來(lái)以節省空間，進(jìn)入太空后再展開(kāi)獲得需要的結構。(記者周舟)
