科学家首次实现陶瓷4D打印

新华社——美国《科学进步》杂志最近发表的一项研究表明，中国香港城市大学吕健教授的研究团队首次实现了4D陶瓷印刷。这项新技术有望应用于空间探索、电子产品和航空发动机制造领域。

4D印刷为3D印刷增加了时间维度。4D印刷公司直接将设计嵌入材料中，允许材料在设定的时间自动变形为所需的形状，并且可以随时间变化。

与3D打印相比，4D打印对材料的要求更高。以前，水凝胶等聚合物大多用作4D印刷“墨水”，但水凝胶聚合物的应用范围有限。陶瓷前驱体材料应用广泛，但难以自变形，限制了其在4D印刷中的发展。

吕健课题组的印刷技术采用复合弹性体陶瓷材料，完成了从三维印刷到结构变形的过程，实现了陶瓷折纸结构印刷和4D陶瓷印刷。

他们使用相对低成本的“墨水直写技术”和掺杂有二氧化锆纳米颗粒的聚二甲基硅氧烷复合材料来构建三维弹性体结构。这种结构柔软有弹性。它可以拉伸到其长度的3倍以上。它可以用金属丝折叠变形，形成折叠纸结构，如蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、裙子等。

研究人员利用这种灵活性设计了一种自动拉伸装置，该装置允许三维弹性体结构的底部拉伸以产生预应力，并在其上印刷主要结构。当预应力被释放时，主体结构将变形以形成4D印刷所需的弹性体结构，该弹性体结构可在热处理后转化为4D陶瓷。

陆健表示，这种4D印刷技术可以广泛应用于个性化定制。其优点在于，通过使用相对简单的绘图设计，可以导出一系列具有相似且连续可变形状的结构，而传统的3D打印只能对应于一个绘图的一个结构。

另外，4D陶瓷热处理只需要1000摄氏度，而传统陶瓷粉末烧结需要1600摄氏度，所以4D印刷工艺成本相对较低。

研究人员认为，如果将这一新技术应用于空间探索领域，预计3D打印前体可以折叠以节省空间，然后在进入空间后展开以获得所需的结构。(周舟)

中国科学新闻(2018-08-20，第一版集锦)