可承受近3輛特斯拉跑車的重量，4D打印陶瓷是如何形成的？

演繹 inSite 第二十七期節(jié)目：4D 打印，陶瓷何以變形？

演講嘉賓：劉果 香港城市大學(xué)博士后

大家好，我叫劉果，來自香港城市大學(xué)，今天我想跟大家分享的題目是：4D 打印，陶瓷何以變形？

大家都知道 3D 打印，3D 打印是指我們構(gòu)建一個(gè) 3D 的數(shù)字化模型，通過一層一層材料堆積的方式，構(gòu)建一個(gè)三維的結(jié)構(gòu)材料。4D 打印一般是指用于 3D 打印的材料，可以在一定的刺激下，比如水、電、光、熱等，發(fā)生可以編程的自主變形。一般來說現(xiàn)在 4D 打印的材料集中在高分子材料上，比如水凝膠等。

陶瓷是一種非常堅(jiān)硬的材料，不易發(fā)生變形，所以限制了陶瓷 4D 打印的方法。香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的陶瓷墨水，這種墨水可以同時(shí)具有三個(gè)功能：首先它可以 3D 打印出復(fù)雜的高分子結(jié)構(gòu)，并且因?yàn)樗�是軟的、有彈性的，可以發(fā)生可編程自變形，最后通過一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，這種彈性體就轉(zhuǎn)換成了陶瓷，有這三個(gè)元素支撐我們就開發(fā)了陶瓷 4D 打印的概念。

首先，我想跟大家介紹一下 3D 打印陶瓷的方法。我們通過墨水直寫的方式，把陶瓷墨水裝在一個(gè)料筒中，通過氣壓擠出的方式打印出三維結(jié)構(gòu)的陶瓷前驅(qū)體，然后把它加熱就變成了陶瓷。

比如這個(gè)白色的立方塊，它是 3D 打印出的陶瓷前驅(qū)體，它是軟的，有彈性，里面還有一些非常精細(xì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。而這個(gè)黑色立方塊，就是它加熱之后，經(jīng)過物理化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成的陶瓷結(jié)構(gòu)�？梢钥吹�，轉(zhuǎn)變后立方塊還是立方塊，它有著很好的形狀保持能力，如果仔細(xì)觀察的話，里面精細(xì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也得到了很好的保持。

圖 | 3D 打印的陶瓷前驅(qū)體

3D 打印的陶瓷前驅(qū)體具有很強(qiáng)的彈性，可以反復(fù)折疊。我們在拉伸機(jī)中進(jìn)行了測試，可以拉到它原始長度的三倍以上然后回彈，我們可以利用這一點(diǎn)，把彈性勢能儲(chǔ)存起來再釋放，這也奠定了 4D 打印陶瓷的基礎(chǔ)。最終形成的是一個(gè)多級(jí)的陶瓷結(jié)構(gòu)，多級(jí)就是說宏觀上來看，打印出的結(jié)果是一個(gè)厘米級(jí)的、肉眼可見的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格只是其中一個(gè)代表，我們還可以通過數(shù)字編程來設(shè)計(jì)打印其他結(jié)構(gòu)。如果把結(jié)構(gòu)放大，還可以看到非常精細(xì)的、大概有 0.2 毫米粗的絲組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如果把每根絲再放大，可以看到里面有大概 50 納米的顆粒，我們的一根頭發(fā)絲的直徑大概是 50 微米，也就是說里面的納米顆粒的直徑大概是千分之一的頭發(fā)絲的直徑。如果我們再進(jìn)一步放大，還有機(jī)會(huì)看到小于 10 納米的所謂的超納孔。肉眼看上去它是一個(gè)像皮筋一樣的陶瓷前驅(qū)體，但實(shí)際上它具有納米材料的一些功能。

在這種 3D 打印陶瓷的方法的基礎(chǔ)上，我們利用了陶瓷前驅(qū)體的變形能力，做了一些陶瓷折紙結(jié)構(gòu)。陶瓷折紙結(jié)構(gòu)不是 4D 打印的，因?yàn)樗�不是自主的變形。但它是一種折紙藝術(shù)，可以做出很多好玩的、很復(fù)雜的一些陶瓷結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程其實(shí)也很簡單，首先打印出陶瓷前驅(qū)體，在手工和一些金屬絲的輔助下折成我們想要的結(jié)構(gòu)，比如圖中的蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰花、或者裙擺的結(jié)構(gòu)。

圖 | 陶瓷折紙結(jié)構(gòu)

關(guān)于這種陶瓷折紙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，我們可以通過一個(gè)數(shù)學(xué)概念高斯曲率 K 來理解。我們可以把陶瓷折紙和常見的折紙進(jìn)行對(duì)比，常見的折紙使用 A4 紙或餐巾布，只能實(shí)現(xiàn) k 等于零的結(jié)構(gòu)，而對(duì)一些復(fù)雜的曲率，k 大于零或 k 小于零，比如圖中花環(huán)結(jié)構(gòu)，這些傳統(tǒng)材料因?yàn)椴荒芾�伸而無法實(shí)現(xiàn)。

圖 | 打印陶瓷前驅(qū)體

在打印陶瓷折紙技術(shù)基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了 4D 打印陶瓷的概念，4D 打印陶瓷其實(shí)就是相當(dāng)于把打印折紙中手動(dòng)的一部分?jǐn)?shù)字化和自動(dòng)化。用拉伸機(jī)作為代表，我們把打印的陶瓷前驅(qū)體進(jìn)行拉伸。

圖 | 拉伸前驅(qū)體并在上面打印所需結(jié)構(gòu)

拉伸之后在上面可以打印需要的結(jié)構(gòu)，比如三浦折紙結(jié)構(gòu)，這是一種非常經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)我們釋放之前拉伸的預(yù)應(yīng)力時(shí)，上面的三浦折紙結(jié)構(gòu)就會(huì)屈曲變形，形成一個(gè)三維的結(jié)構(gòu)，最后把這個(gè) 4D 打印的陶瓷前驅(qū)體進(jìn)行熱處理就可以得到 4D 打印的陶瓷。

圖 | 4D 打印陶瓷過程

4D 打印陶瓷最核心的部分在于陶瓷前驅(qū)體的彈性，我們可以利用這種彈性勢能激發(fā)可編程的自主變形。4D 打印陶瓷的另外一種方法同樣是利用陶瓷前驅(qū)體的彈性勢能，我們先拉伸要打印的陶瓷前驅(qū)體，然后在上面打印設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)，比如和拉伸方向一致的條紋結(jié)構(gòu)，當(dāng)我們釋放這個(gè)預(yù)應(yīng)力的時(shí)候，它就會(huì)在這個(gè)應(yīng)力的作用下發(fā)生變形，最終形成彎曲結(jié)構(gòu)。

而如果我們把這個(gè)與應(yīng)力方向平行的條紋改成與應(yīng)力方向成 45 度角的時(shí)候，它就會(huì)發(fā)生螺旋變形。如果我們正反兩面打印條紋，就有機(jī)會(huì)得到馬鞍面的造型。我們不但可以改變條紋的角度，還可以改變條紋的密度，由此設(shè)計(jì)出很多復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)。

圖 | 多種陶瓷結(jié)構(gòu)

下面跟大家介紹一下 4D 打印陶瓷的一些基本優(yōu)勢。第一點(diǎn)從能源和時(shí)間上來看，4D 打印陶瓷具有一定的成本優(yōu)勢。能源上它不需要 3D 光刻法所需要的激光或者紫外線能源，這些相對(duì)來說是比較昂貴的，也不需要傳統(tǒng)陶瓷粉末燒結(jié)技術(shù)所需要的大概 1600 度以上的高溫，前驅(qū)體轉(zhuǎn)變的溫度 1000 度就可以實(shí)現(xiàn)了，所以體現(xiàn)了能源上的成本優(yōu)勢。

當(dāng)我們需要設(shè)計(jì)一系列類似結(jié)構(gòu)的時(shí)候，時(shí)間上的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的 3D 打印是一對(duì)一的，設(shè)計(jì)一個(gè)三維模型就打印出來一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，而 4D 打印就可以通過改變刺激的大小、刺激的方式，從一個(gè)非常簡單的結(jié)構(gòu)得到一系列形狀相似的結(jié)構(gòu)，所以在某些特定的情形下它具有時(shí)間上的成本優(yōu)勢。

第二點(diǎn)是 4D 打印陶瓷可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。除了我們前面提到的折紙結(jié)構(gòu)，我們還可以實(shí)現(xiàn)非常薄的，大概 0.2 毫米的平板網(wǎng)格鏤空結(jié)構(gòu)、曲面蜂窩結(jié)構(gòu)，這些對(duì)于傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝來說是不太容易實(shí)現(xiàn)的。

另外陶瓷前驅(qū)體還具有拉伸到超過三倍其本身長度的強(qiáng)變形能力。這個(gè)或許可以用在太空探索中，我們知道在太空探索的過程中空間是非常珍貴的，那我們就可以把陶瓷前驅(qū)體材料折疊起來，節(jié)省空間，當(dāng)飛船到太空之后再把它展開，利用太陽能或者是地面的激光，使陶瓷前驅(qū)體局部地或者全部地陶瓷化，因?yàn)樘沾墒且环N耐高溫、耐高壓的材料，所以相當(dāng)于給太空飛船的某些部分穿上了一層「保護(hù)衣」，這個(gè)對(duì)于嚴(yán)苛環(huán)境中是比較有用的。

最后我們比較關(guān)心打印陶瓷的機(jī)械性能，經(jīng)過測試，打印的陶瓷抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 547 兆帕，這就是說可以在上面壓大概將近三輛特斯拉跑車的重量。從比強(qiáng)度的概念上與其他材料相比，比強(qiáng)度是強(qiáng)度比密度，體現(xiàn)的是輕質(zhì)高強(qiáng)的概念，很多有非常高的比強(qiáng)度的材料只能實(shí)現(xiàn)比較小的結(jié)構(gòu)，有的甚至是納米、微米的結(jié)構(gòu)，大大限制它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而可以達(dá)到比較大的厘米級(jí)的、宏觀尺度的陶瓷結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能又非常低，所以就相當(dāng)于魚和熊掌不可兼得。而我們目前制造的硅基陶瓷納米復(fù)合材料，可以兼得高的比強(qiáng)度和大的尺寸，這將會(huì)大大拓展材料在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

來源：DeepTech深科技

我想跟大家展望一下 4D 陶瓷打印技術(shù)的應(yīng)用前景。首先跟大家分享一下它在 3C 產(chǎn)品中的應(yīng)用，隨著 5G 時(shí)代的到來，陶瓷材料將會(huì)越來越多地應(yīng)用在 3C 產(chǎn)品中，因?yàn)橄啾扔谒芰蟻碚f它的品質(zhì)更高、顏值更高、質(zhì)感更好；相比于金屬來說，金屬有電磁屏蔽效應(yīng)，所以陶瓷在信號(hào)傳輸上比金屬要好；相比于玻璃，陶瓷又耐磨防刮，所以它會(huì)起到越來越多的作用。

而 4D 打印陶瓷會(huì)在這里面扮演什么角色呢？因?yàn)樘沾汕膀?qū)體是可以折疊的，那我們就可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得打印出的陶瓷一部分是陶瓷、一部分是陶瓷前驅(qū)體。而且我們可以設(shè)計(jì)它們結(jié)合的方式，這樣就可以實(shí)現(xiàn)類似于軟陶瓷或者彈性陶瓷，進(jìn)而應(yīng)用在我們手機(jī)的背板等地方。

還有一個(gè)高溫領(lǐng)域的應(yīng)用是航空發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樘沾刹牧系母呷埸c(diǎn)，使得制造這種復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)是比較困難的；還有一個(gè)與個(gè)性化定制設(shè)計(jì)息息相關(guān)的生物醫(yī)療領(lǐng)域，人體中的牙齒和骨骼都是不同材料的陶瓷，那我們就有機(jī)會(huì)應(yīng)用 3D 打印進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，而且因?yàn)樘沾赡�水是一個(gè)開放性系統(tǒng)，它可以根據(jù)你需要的功能來調(diào)整里面陶瓷的配方，所以它在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也值得期待。

最后，我想介紹一下我們的 4D 打印陶瓷的科研團(tuán)隊(duì)，我們團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人是呂堅(jiān)教授，他是法國國家技術(shù)科學(xué)院院士，也是香港城市大學(xué)主管研究和科技的副校長，也是我的博士導(dǎo)師。我們的工作去年 8 月份發(fā)表在 Science Advances 科學(xué)進(jìn)展雜志上，我的師兄趙巖博士和吳戈博士都是這個(gè)工作的核心成員，謝謝大家！