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香港城市大学全球首创4D打印陶瓷新技术
2018/8/31 15:06:19 本站原创 点击数:
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香港城市大学(香港城大)的研究团队成功开发全球首套4D打印陶瓷技术,在材料研发上取得突破性进展,这项新技术可以打印出既坚固且形状复杂的陶瓷,为陶瓷结构的应用翻开了新的一页。

由于陶瓷有熔点高的特性,因此难以用传统的激光打印方法来制造陶瓷。而现时以3D打印的陶瓷前驱体通常较难变形,故此窒碍了一些形状复杂陶瓷的生产。为了克服这些挑战,香港城大团队开发了一种新型的「陶瓷墨水」── 一种聚合物和陶瓷纳米颗粒的混合物。团队采用这种新型墨水,以3D打印出来的陶瓷前驱体,既柔软且富弹性,可以拉伸至超过原来材料长度的三倍。这些柔韧且可拉伸的陶瓷前驱体,为制造一些复杂形状,例如折纸结构创造了条件。通过适当的高温处理,就可以制造出形状复杂的陶瓷。

 

柔韧且可拉伸的陶瓷前驱体为制造复杂形状的陶瓷创造了条件。上图是模仿蝴蝶(左上)、悉尼歌剧院(右上)、玫瑰(左下)和裙子(右下)折纸结构,用打印出来的陶瓷前驱体制作而成的陶瓷。制作过程:用金属丝綑绑有弹性的前驱体以达致预期形状,经过热处理转化为陶瓷后,再以硝酸销蚀掉金属丝。

 


    这项研究是由香港城大副校长(研究及科技)及机械工程学讲座教授吕坚教授带领,吕教授是一名出色的材料科学家,研究范畴包括纳米及先进材料的制备,和表面工程仿真仿真设计。

在成功研发出弹性的前驱体这一基础上,研究团队更取得了另一项突破,就是开发了两种4D 陶瓷打印方法。

4D打印是指在传统3D打印的基础上,增加一个时间维度作为第四维度;当3D打印物体的形状和结构,在一定的外部刺激下,例如机械力、温度或磁场,就可以随着时间而自我变形或自我组装。

在这项研究中,团队利用拉伸了的前驱体的弹性势能来变形。当拉伸的陶瓷前驱体弹性能量被释放时,它会进行自我变形。经过热处理后,前驱体就会转化成陶瓷。

这种由弹性体衍生的4D打印陶瓷,结构坚固,具有很高的抗压强度,可以达到547 MPa(密度约 1.6 g cm-3),而且相比一般的打印陶瓷,它能容许大尺寸和高强度两者并存。

吕教授说︰「整个系统听起来好像很简单,但事实并非如此。从制作墨水到开发整套打印系统,我们尝试了无数次及使用不同的方法。就像在蛋糕上挤奶油一样,有很多因素影响结果,从奶油种类、唧嘴大小、挤压速度和力度,以至温度,都可以产生影响。」

历时逾两年半,团队最终克服了现有材料的局限性并开发出整套4D打印陶瓷系统。

在第一种成型方法中,团队首先用新型陶瓷墨水印制3D陶瓷前驱体和基底,然后将基底放在双轴拉伸装置上进行拉伸,再在拉伸了的基底上打印接连陶瓷前驱体的连接点,之后把陶瓷前驱体放上去,由计算机程序控制时间和释放拉伸了的基底,整个结构便会屈曲成预设的形状。


 

 4D打印陶瓷方法一

 

 

用方法一4D打印而制成的三浦折叠陶瓷



  在第二种方法中,团队将设计图案直接打印在已拉伸的陶瓷前驱体上。前驱体在计算机程序控制下被释放,就会进行自我变形。


 

 4D打印陶瓷方法二

 
 

 

用方法二4D打印而制成的陶瓷,从左至右为弯曲形、螺旋形和马鞍形的陶瓷。


 

  这项创新发明刚在最新一期的顶级学术期刊《科学进展》(Science Advances)上发表,标题为〈弹性体衍生的折纸陶瓷和4D打印陶瓷〉(Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures)。所有研究团队的成员均来自香港城大,包括研究助理刘果博士、高级副研究员赵岩博士和研究员吴戈博士

 

这次研究所开发的用SiOC基质纳米复合材料制成的陶瓷结构攻克了打印陶瓷普遍无法兼具强度与尺度的结构局限。



    吕教授说︰「凭借陶瓷前驱体多样化的变形能力,它的应用范围可以很广。」当中一项重要的应用将是电子产品。陶瓷材料在传输电磁讯号方面较金属材料更优越,随着5G网络的到来,陶瓷产品将在电子产品制造中发挥更重要作用。陶瓷的艺术特性及其可塑成复杂形状的能力,将可以为消费者度身订做独一无二的陶瓷手机背板。

此外,这项创新发明可以应用于航空工业和太空探索上。吕教授说︰「陶瓷坚固且耐热,因此4D打印陶瓷具有极高的潜力,可制作推进部件应用在航空业上。」

凭借材料和4D打印技术的突破,吕教授表示下一步是提高材料的机械性能,例如减低其脆性。

此项研究获得国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题研究计划支持。它亦透过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心,得到香港创新科技署的资助;并且获得广东省科学技术厅和深圳市科技创新委员会的资助。
 



    吕坚教授现为香港城市大学(研究及科技)副校长兼研究生院院长,同时亦是机械工程学讲座教授和先进结构材料研究中心主任。吕教授在研究上屡创突破,他带领的研究团队最近成功在陶瓷折纸结构和4D打印的研究取得突破性进展,为陶瓷结构的应用翻开了新的一页。

 

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