全球首個陶瓷4D打印系統“出爐”

劉霞

據物理學家組織網近日報道，香港城市大學的研究團隊成功開發出全球首個陶瓷4D打印系統，打印出來的陶瓷堅固且擁有復雜的形狀，有望在電子和航空航天領域大展拳腳。

陶瓷的熔點很高，因此難用傳統的激光打印技術制造；現有的3D印刷陶瓷前體通常很難變形，讓制造復雜形狀的陶瓷困難重重。為應對這些挑戰，機械工程系主任呂堅（音譯）教授領導的團隊開發出了一種新型“陶瓷墨水”，它是聚合物和陶瓷納米粒子的混合物。用這種新型陶瓷墨水打印出來的3D陶瓷前體非常柔軟，可拉伸到初始長度的3倍。這些柔韌且可拉伸的陶瓷前體通過適當的熱處理，就可制造出擁有復雜形狀的陶瓷。而且，在此基礎上，研究團隊開發出了兩種陶瓷4D打印方法。

4D打印是傳統3D打印加上第四維度——時間，在第四維度中，打印物體可在外部環境（例如機械力、溫度或磁場）的刺激下，隨著時間的推移重新成形或自我組裝。在最新研究中，該團隊利用存儲在拉伸的陶瓷前體中的彈性能量讓陶瓷變形。當拉伸過的陶瓷前體被釋放時，它經歷自我重整，熱處理后，前體變成陶瓷，得到的陶瓷堅固且擁有高壓縮強度—密度比。另外，與其他打印陶瓷相比，它們可以形成擁有高強度的大尺寸結構。

呂堅說：“憑借印刷陶瓷前體的變形能力，其應用可能非常大。一個有希望的應用是制造電子產品。”在傳輸電磁信號方面，陶瓷材料比金屬材料性能更優異。此外，陶瓷的藝術特性及其形成復雜形狀的能力也為消費者提供了獲得定制陶瓷手機背板的潛力。

這項創新還可應用于航空航天領域。呂堅解釋說：“由于陶瓷是一種能承受高溫的機械強度高的材料，因此4D打印陶瓷有很大潛力用作航空航天領域的推進部件。”

呂堅表示，下一步是提高材料的力學性能，例如降低其脆性。