中国粉体网讯 面对诸多的应用场合，各种复杂形状的结构陶瓷、功能陶瓷等需求越来越大，现目前制备可控可定制的复杂结构陶瓷，传统的陶瓷制备技术已远远不能满足需求。3D打印技术的出现解决来了此问题，然而，近年来，能让3D打印的可控形状变形，并使复杂形状设计的多种可能性成为可能的4D打印一直吸引着材料领域的密切关注。
4D陶瓷打印是在3D打印的基础上增加了时间维度，简单来说，就是4D陶瓷打印可直接将设计程序内置到物料当中，随时间变化，陶瓷材料自动变形为所需的形状。
近日，以佛山（华南）新材料研究院为第一完成单位，联合清华大学深圳研究生院、深圳奇遇科技有限公司在国际期刊《Additive Manufacturing》上发表题为“4D printing of ceramic structures”的相关论文，提出关于复杂陶瓷结构的4D打印策略，通过精确调整陶瓷材料的固含量和打印路径，实现了陶瓷结构的可控变形。
4D打印实现了3D打印的可控形状变形，并使复杂形状设计的多种可能性成为可能。然而，4D打印通常是应用于容易变形的软材料。而陶瓷本质上是硬而脆的，这阻碍了其在4D打印中的发展。本研究利用打印陶瓷在烧结过程中的应力不匹配，实现了陶瓷结构的4D打印。
该研究主要利用打印陶瓷在烧结过程中的应力不匹配，以达成陶瓷结构的4D打印。科研团队通过打印底层高固含量、顶层低固含量的双层氧化锆(ZrO2)陶瓷，令其烧结收缩率的内应力的方向与低收缩率材料的轴向方向一致，实现其形状由平面变为弯曲结构。在这一过程中，研究人员通过选择不同的打印工艺来定制陶瓷结构的变形行为。最后，通过对陶瓷材料的固含量和打印路径进行编程，实现了具有各种特性的4D打印陶瓷花朵。
采用直写-烧结法进行陶瓷结构的4D打印。(a)将ZrO2纳米颗粒与UV树脂按不同比例混合。(b-c)含有均匀分散的ZrO2纳米颗粒的UV材料墨水。(d)采用双喷嘴配备DIW技术并进行UV固化处理的陶瓷片3D打印。(e)将3D打印的陶瓷片烧结后转化为4D打印的陶瓷结构。
通过编程打印路径实现陶瓷花朵的4D打印。(a)双层陶瓷的顶层以不同的路径打印。(b)烧结后各种双层陶瓷多边形的形状变化。(c)烧结前后堆叠陶瓷的俯视图。(d)烧结前后堆叠陶瓷的侧视图。
通过编程打印路径实现陶瓷花朵的4D打印。(a)双层陶瓷的顶层以不同的路径打印。(b)烧结后各种双层陶瓷多边形的形状变化。(c)烧结前后堆叠陶瓷的俯视图。(d)烧结前后堆叠陶瓷的侧视图。
目前，科研团队所提出的实现复杂陶瓷结构的4D打印策略中的直写(Direct ink writing, DIW)技术已成功应用于液晶弹性体、磁性元件、水凝胶、形状记忆聚合物等的4D打印。在该论文中采用DIW技术制备了双层陶瓷片，通过对双层ZrO2陶瓷材料的固体含量和打印路径进行编程，实现了烧结收缩率的内应力的方向与低收缩率材料的轴向方向一致。与目前用于生产复杂形状陶瓷的传统工艺相比，本次所提出的4D打印工艺使其能够自下而上地打印陶瓷结构。
烧结过程中陶瓷双分子层的自变形。(a)以不同的路径打印双层陶瓷方块。(b)烧结后双层陶瓷方块的形状变化。(c)陶瓷方块烧结前后的对比。(d)烧结后双层陶瓷矩形的几何形状。(e)烧结后双层陶瓷椭圆的几何形状。比例尺为10mm。
下一步，研究院将继续着力开展陶瓷3D打印及增材制造领域科学技术攻关，为佛山增材制造产业的持续发展提供强大技术支撑，为广东省经济高质量发展助力。
来源：南极熊3D打印、佛山（华南）新材料研究院、奇遇科技ADTE
（中国粉体网编辑整理/空青）
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