南方科技大學(xué)葛锜/西安交通大學(xué)原超團隊：陶瓷4D打印研究最新進展

來源：高分子科學(xué)前沿

4D打印是一種基于3D打印發(fā)展的新型制造技術(shù)。相比3D打印，4D打印將智能材料和力學(xué)設(shè)計融入制造過程。因此在外界環(huán)境刺激（如光、熱、電、磁等）下，4D打印結(jié)構(gòu)可隨時間產(chǎn)生形狀或功能的改變，在生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，實現(xiàn)4D打印的材料主要局限于水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體等智能軟材料，而對于陶瓷類材料的4D打印仍存在諸多技術(shù)瓶頸�，F(xiàn)有的陶瓷4D打印主要基于墨水直寫工藝，且需模具實現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)編程，效率和精度有待提高。數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)是一種通過紫外光面投影成型的高精度3D打印技術(shù)，但將該技術(shù)用于陶瓷4D打印仍面臨以下幾個挑戰(zhàn)：（i）缺乏具有大變形能力的光固化陶瓷彈性體樹脂；（ii）缺乏與陶瓷彈性體樹脂匹配的光固化驅(qū)動材料；（iii）缺乏可以一體化成型陶瓷彈性體-驅(qū)動材料的多材料3D打印技術(shù)和裝備。

2024年1月26日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學(xué)原超副教授研究團隊提出了一種簡單高效的陶瓷4D打印制造方法和設(shè)計策略。采用團隊自主開發(fā)的多材料光固化3D打印設(shè)備制造水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)，通過水凝膠失水驅(qū)動層合結(jié)構(gòu)由平面圖案演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，在無需額外形狀編程的條件下實現(xiàn)陶瓷結(jié)構(gòu)的直接4D打印。該研究成果以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration”為題，發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。南方科技大學(xué)機械與能源工程系研究助理教授王榮、西安交通大學(xué)副教授原超和南方科技大學(xué)博士研究生程健翔為論文共同第一作者。西安交通大學(xué)原超副教授和南方科技大學(xué)葛锜教授為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。

圖1展示了陶瓷4D打印的基本流程。采用南科大葛锜教授課題組自主研發(fā)的多材料光固化3D打印設(shè)備一體化成型界面牢固的水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)，通過水凝膠失水驅(qū)動平面圖案演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，進而利用高溫脫脂和燒結(jié)得到純陶瓷三維結(jié)構(gòu)。

圖1. 陶瓷4D打印的基本原理和流程。

圖2展示了研究團隊為陶瓷4D打印開發(fā)出的低粘度光敏陶瓷彈性體漿料和丙烯酸水凝膠前驅(qū)體。固化成型的陶瓷彈性體生坯具有大變形能力，可承受高達700%的拉伸應(yīng)變，其力學(xué)性能可通過改變漿料中交聯(lián)劑含量來調(diào)控。水凝膠作為驅(qū)動材料，在失水過程中可實現(xiàn)高達65%的體積收縮率和40倍以上的模量提升，在變形失配誘導(dǎo)下帶動層合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體彎曲變形，其更重要的是，光固化陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)界面韌性好，保證其在變形過程中不會發(fā)生界面剝離。

圖2. 光固化陶瓷彈性體和水凝膠材料的性能表征。

如圖3所示，在燒結(jié)過程中，彎曲的層合結(jié)構(gòu)發(fā)生了曲率回撤現(xiàn)象。通過實驗研究和有限元模擬，研究團隊將現(xiàn)象歸因于燒結(jié)過程中層合結(jié)構(gòu)厚度方向的不均勻收縮。綜合考慮水凝膠失水過程中層合結(jié)構(gòu)變形以及燒結(jié)過程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象，研究團隊建立了基于相轉(zhuǎn)變的本構(gòu)模型描述水凝膠脫水的剛度增加和體積收縮，進而結(jié)合層合梁理論預(yù)測陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)的脫水彎曲過程，最后將陶瓷燒結(jié)過程中變形梯度引發(fā)的非均勻收縮引入理論模型，計算最終的結(jié)構(gòu)彎曲變形，理論預(yù)測與實驗結(jié)果取得了很好的一致性。利用理論模型繪制的設(shè)計機制圖可以定量呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系，為水凝膠-陶瓷層合結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效指導(dǎo)。

圖3. 燒結(jié)過程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象及其理論模型預(yù)測。

圖4展示了陶瓷4D打印的逆向設(shè)計流程：1）通過三維建模提取目標(biāo)構(gòu)型特征參數(shù)；2）設(shè)計平面圖案確定待定設(shè)計參數(shù)；3）理論模型計算待定設(shè)計參數(shù)；4）有限元模擬預(yù)測三維形狀；5）多材料打印實現(xiàn)層合結(jié)構(gòu)到目標(biāo)三維形狀的構(gòu)型轉(zhuǎn)換。以正四面體為例，具體展示了陶瓷4D打印的設(shè)計流程，實驗結(jié)果與最初的設(shè)計目標(biāo)一致。

圖4. 陶瓷4D打印的逆向設(shè)計流程。

如圖5所示，通過對平面層合結(jié)構(gòu)進行多樣化圖案設(shè)計，可實現(xiàn)如立方體盒子、Miura折紙結(jié)構(gòu)、鶴、三葉風(fēng)扇和蝎子等各種三維陶瓷結(jié)構(gòu)。與模具輔助變形和手動折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅(qū)動的陶瓷直接4D打印技術(shù)能夠更簡單、更高效、更精準(zhǔn)地制造各三維陶瓷結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造開辟了新的途徑。

圖5. 陶瓷4D打印的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45039-y