我國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)陶瓷4D打印
8月17日發(fā)表在新一期美國(guó)《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的研究顯示,中國(guó)香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授研究組首次實(shí)現(xiàn)了陶瓷4D打印。這種新技術(shù)有望應(yīng)用于太空探索、電子產(chǎn)品和航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造等領(lǐng)域。
4D打印,就是在3D打印基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維度。4D打印直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中,讓材料在設(shè)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(duì)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(yīng)用范圍有限。陶瓷前驅(qū)體材料應(yīng)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(jiān)研究組的這種打印技術(shù)采用復(fù)合彈性體陶瓷材料,完成了從3D打印到結(jié)構(gòu)可變形的過程,實(shí)現(xiàn)了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的打印和4D陶瓷打印。
他們采用成本較為低廉的“墨水直寫技術(shù)”,用二氧化鋯納米顆粒摻雜的聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料,構(gòu)建出3D彈性體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)柔軟且具有彈性,可拉伸至超過本身3倍的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)。
研究人員利用這種柔性特質(zhì)設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)拉伸裝置,讓3D彈性體結(jié)構(gòu)的基底拉伸產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,在其上面打印出主結(jié)構(gòu)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力釋放后,主結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變形,從而形成4D打印所需的彈性體結(jié)構(gòu),熱處理后可轉(zhuǎn)化為4D陶瓷。
呂堅(jiān)說,這種4D打印技術(shù)可廣泛應(yīng)用于個(gè)性化定制,優(yōu)勢(shì)在于采用相對(duì)簡(jiǎn)單的圖紙?jiān)O(shè)計(jì),就可衍生出一系列形狀相似且連續(xù)可變的結(jié)構(gòu),而傳統(tǒng)的3D打印只能一個(gè)圖紙對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)。
此外,4D陶瓷熱處理只需1000攝氏度即可完成,而傳統(tǒng)陶瓷粉末燒結(jié)則需要1600攝氏度,因此4D打印工藝成本相對(duì)低廉。
研究人員認(rèn)為,如將新技術(shù)應(yīng)用于太空探索領(lǐng)域,有望將3D打印前驅(qū)體折疊起來以節(jié)省空間,進(jìn)入太空后再展開獲得需要的結(jié)構(gòu)。(記者周舟)
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