香港城市大学吕坚院士团队《Advanced Materials》：4D增减材复合制造形状记忆陶瓷

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分类：行业动态
发布时间：2023-08-02 17:40
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2023年7月30日，香港城市大学吕坚院士团队在《Advanced Materials》上发表题为4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics的研究论文，报道了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷的新策略，制备了兼具高精度和良好性能的宏观尺寸形状记忆陶瓷。

原文链接：

//doi.org/10.1002/adma.202302108

研究简介

陶瓷等高温结构材料的发展受限于其极高的熔点和创建复杂结构的难度。4D打印工艺作为增强陶瓷的几何灵活性的新工具，其在陶瓷领域的应用受到时繁琐的形状转变（变形）和材料转变（变质）独立分步的工艺过程、低精度的4D变形机制/3D结构特征/2D表面质量等的限制。

基于此，本文开发了一种高效率和可扩展的4D形状记忆陶瓷增减法复合制造的新策略，并发了具有初始/反向、整体/局部多模式形状记忆功能的宏观尺寸形状记忆陶瓷。研究人员采用SiOC基陶瓷材料打印复杂网格轻质结构并使其火焰烧蚀性能得到提升。本研究成果有望拓展高温结构材料在航空航天、3C电子、生物医疗、和艺术等领域的应用。

研究内容解读

本研究开发了SiOC基复合前驱体以实现陶瓷结构更好的几何灵活性。研究人员采用2D叶片涂层或墨水直写3D打印来制备弹性陶瓷前驱体，并使用SM技术以提高制造精度，从而实现高分辨率的增减材复合制造。采用最优的激光扫描策略对二维/三维弹性前驱体进行激光雕刻或切割，并对其进行热处理，最终得到结构陶瓷。

此外，本研究通过调整异质前驱体，开发了陶瓷材料的4D打印，并通过将弹性前驱体激光切割/雕刻(EPLC/EPLE)技术与陶瓷4D打印技术相结合，开发了一种形状复杂、高分辨率、经济高效、环保的陶瓷材料4D增减材复合制造范本。

图1 陶瓷的4D增减材复合制造示意图和受传统陶瓷艺术启发的EPLE/EPLC方法。

图2 形状记忆陶瓷的4D增减材复合制造。

图3 陶瓷4D打印的几何复杂性，制造速度和精度。

图4 陶瓷4D增减材复合制造的高分辨率EPLE方法。

图5 2D/3D/4D前驱体抛光。

图6 打印陶瓷材料的热性能。

研究结论

本文所提出的4D增减材复合制造（ASM）系统通过将3D打印效率从逐行打印提高到逐区域打印，实现了陶瓷材料的快速、精确和可扩展制造。减材质造中使用的激光束技术可以扩展到其他受控高能流，如电子束、离子束或高压液体以及它们的组合。而涉及弹性聚合物上的UV/臭氧膜的框架可以扩展到金属膜等其他二维增材制造材料，以实现非均相前驱体。

未来的工作可能重点放在通过工程仿生柔/刚性混合聚合物/陶瓷材料体系和结构/功能梯度陶瓷，通过聚合物材料渗透4D增减材复合制造的分层陶瓷结构，通过前驱体材料的局部陶瓷化、陶瓷材料的局部再陶瓷化或多材料打印/组装来增强陶瓷材料的韧性。

——END——

深圳中国九游会科技有限公司联合清华大学深圳研究生院和佛山（华南）新材料研究院，提出并成功实现了复杂陶瓷结构的4D打印策略，通过精确调整陶瓷材料的固含量和打印路径，实现了陶瓷4D打印“设备——材料——工艺”独立开发；加入独家CAD4D打印算法，实现陶瓷烧结内应力驱动结构变化。