近日發表在新一期美國《科學進展》雜誌上的研究顯示，中國香港城市大學呂堅教授研究組首次實現了陶瓷4D打印。這種新技術有望應用於太空探索、電子產品和航空發動機製造等領域。
4D打印，就是在3D打印基礎上增加了時間維度。4D打印直接將設計內置到物料當中，讓材料在設定的時間自動變形為所需要的形狀，且可隨時間變化。
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範圍有限。陶瓷前驅體材料應用廣泛，但較難發生自變形，限制了其在4D打印中的發展。
呂堅研究組的這種打印技術採用複合彈性體陶瓷材料，完成了從3D打印到結構可變形的過程，實現了陶瓷摺紙結構的打印和4D陶瓷打印。
他們採用成本較為低廉的“墨水直寫技術”，用二氧化鋯納米顆粒摻雜的聚二甲基硅氧烷複合材料，構建出3D彈性體結構。這種結構柔軟且具有彈性，可拉伸至超過本身3倍的長度，並可使用金屬絲讓其摺疊變形，形成蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰、裙子等摺紙結構。
研究人員利用這種柔性特質設計出一種自動拉伸裝置，讓3D彈性體結構的基底拉伸產生預應力，在其上面打印出主結構。當預應力釋放後，主結構就會發生變形，從而形成4D打印所需的彈性體結構，熱處理後可轉化為4D陶瓷。
呂堅說，這種4D打印技術可廣泛應用於個性化定製，優勢在於採用相對簡單的圖紙設計，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打印只能一個圖紙對應一個結構。
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，如將新技術應用於太空探索領域，有望將3D打印前驅體摺疊起來以節省空間，進入太空後再展開獲得需要的結構。（新華社 周舟）
《中國科學報》 (2018-08-20 第1版 要聞)
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