2022年12月1日，哈尔滨工业大学孟松鹤团队联合多家单位在《Chemical Engineering Journal》上发表题为Lightweight and geometrically complex ceramics derived from 4D printed shape memory precursor with reconfigurability and programmability for sensing and actuation applications 的研究文章，报道了一种适用于4D打印的可重构形状记忆陶瓷前驱体聚合物，并证明了合成陶瓷作为热敏电阻和温度传感器的可行性，提出了可编程前体和陶瓷在航空航天领域的潜力。
//doi.org/10.1016/j.cej.2022.140655
研究简介
陶瓷增材制造(AM)可实现各种工程应用中的几何复杂形状。聚合物衍生陶瓷(PDCs)是由聚合物陶瓷前驱体裂解而成的，具有易加工、设计灵活、烧结温度相对较低等优点，是陶瓷AM的一种有竞争力的材料。然而，陶瓷前驱体聚合物的功能还远远没有得到充分利用，这限制了3D打印陶瓷的发展和应用。在此基础上，本研究合成了一种具有可重构性和形状记忆效应的多功能陶瓷前驱体聚合物复合材料。通过调整材料组成，适用于4D打印的前驱体墨水被热解成轻质自成形陶瓷，从而可以制造复杂的几何形状。陶瓷前驱体聚合物经历逐步的“部分到完全”的交联过程，形成互穿聚合物网络，从而可重构，打印部件可以转化为具有更高复杂性的形状。与具有静态形状的传统前体不同，这里的前体具有形状记忆能力(Tg ~95°C)。在烧结过程中，3D打印前驱体可依次进行高回收率(-~100%)的可编程主动形状转换和热解转化为轻质陶瓷(1.05 g/cm3)。通过探索所得陶瓷的半导体行为，利用重塑的优势设计了温度传感器，可以在大范围(25-750℃)内检测表面，并具有良好的一致性。本研究所报道的用于复杂陶瓷结构的4D打印可重构和可编程前驱体的开发，丰富了陶瓷的复杂性和自成形能力，使其能够应用于智能热敏电阻和可展开结构。
研究内容解读
本研究合成了一种适用于4D打印的可重构形状记忆陶瓷前驱体聚合物，并研究了其作为传感器和执行器的应用。前驱体由PDMS, SMEP和具有定制流变学的陶瓷NPs组成，通过DIW直写3D打印工艺打印。可重构性允许打印时的前体被重新塑造成具有更高复杂性的新的永久形状，这源于分离固化过程，在两步交联过程中形成了IPNs。形状记忆能力使前驱体能够被编程为临时形状，并在热刺激下快速(<10 s)和完全(~ 100%)恢复到原始状态。陶瓷前驱体的可重构性和可编程性的结合简化了复杂陶瓷的制造过程。同时，研究人员进一步证明了合成陶瓷作为热敏电阻和温度传感器的可行性，基于其热依赖的半导体行为和宽监测范围(25-750°C)。利用重构优势的传感器被设计用于检测不均匀轮廓的表面温度，具有更高的可靠性。最后，研究人员提出了可编程前体和陶瓷在航空航天领域的潜力。这项工作不仅提供了一种从形状记忆前体制备复杂陶瓷的新策略，而且还可以扩展到其他类型的刺激响应材料，具有广泛的前体材料选择。它为4D打印、执行器、传感器和工程应用解决方案的进一步发展提供了更多可能性。
图1 由可重构和可编程陶瓷前驱体制造复杂PDCs的示意图。(a)通过两步固化陶瓷前驱体的重构原理。(b)两步固化过程中前驱体网络示意图。(c)路径1:前驱体直接烧结成陶瓷(d)路径2:将形状记忆前驱体折叠成各种临时形状。(e)临时形状的前驱体按程序进行回收过程，并通过烧结过程达到陶瓷状态。
图2 与3D打印兼容的陶瓷前驱体的合成方法及性能。
图3 热响应形状记忆行为和从4D打印前体到几何复杂陶瓷的说明。
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中国九游会科技DIW直写3D打印机采用独家4D打印引擎，支持高精度可控4D打印，团队于近期联合清华大学、佛材院在国际权威期刊《Additive Manufacturing》上报道一项采用团队自主研发的3D打印机所进行的陶瓷4D打印最新研究成果。可点击 查看详细内容。
