呂堅：3/4D打印陶瓷及高熔點材料原理,、工藝及應用

閱讀前請先思考以下幾個問題：
1,、4D打印陶瓷及高熔點材料是什么,，原理是什么,？
2,、4D打印陶瓷及高熔點材料有哪些工藝,？
3,、4D打印陶瓷及高熔點材料都可以應用在哪些方面？

呂堅,，講座教授,，香港城市大學副校長，研究生院院長,，先進結構材料研究中心主任,。研究范疇包括先進及納米材料的制備與力學性能，生物與仿生材料（多穩(wěn)態(tài)結構,，柔性機器人）力學,，先進材料與產品集成設計。曾經任由空客,，EADS,，SNECMA，ABB,，F(xiàn)IAT等十八家公司與研究所大學參加的歐盟項目首席科學家,。中科院沈陽金屬所客座首席科學家，北京科技大學,，東北大學,，南昌大學名譽教授，西安交通大學,，西北工業(yè)大學顧問教授,，上海交通大學，中南大學,，上海大學等�,？妥�教授。研究成果在Nature（封面文章）, Science, Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances,，PRL, JMPS, Acta Materials等SCI雜志上發(fā)表350篇論文,。2006年,，2017年分別獲法國政府授予法國國家榮譽騎士勛章和法國國家榮譽軍人團騎士勛章。2011年被法國國家技術科學院選為院士,，2018年獲中國工程院光華工程科技獎,。

增材制造是一個非常重要的領域，因為美國制造的五大基本元素包括設計,、材料,、工藝、增材制造和價值鏈,，所以我希望學校做出的研究能夠在這5個領域都有一定的突破,。

香港城市大學是一個全球領先的學校，在3D打印領域發(fā)展的更快,，因為3D打印機是本科生一年級開始就用的工具，學校有幾十臺3D打印機,，分別提供給藝術系,、土木系等專業(yè)的學生使用，可以打印出不同的物品,。我們在增材制造研究的主要目標包括高附加值領域（生物醫(yī)療,、航空航天）、超納合金和納米粉,，還有“墨水”新工藝及相關燒結工藝,、4D打印技術還有SMAT原位3D打印增值致密處理。

學校在生物領域也用不同的機器打印出不同的生物零部件或器官,。學校也使用全球最小的3D打印機來做一些新型的設計,，比如在生命科學領域，我們用世界上最小的3D打印機打出來微型機器人,，這個機器人有200條腿,，因為其中加了磁性的材料，所以它可以在人的血管里跑來跑去運輸藥物,。這個成果也剛剛在《Nature Communications》上發(fā)表,。

4D打印陶瓷的原理
我認為原始創(chuàng)新的三個要素是唯一性、顛覆性和最佳性,，4D打印陶瓷就是根據這個原則開展的,。

超納材料是用PVD做的，也是一種增材制造,，來源于液態(tài)金屬或者金屬玻璃的材料,。金屬玻璃是一種非常好的3D打印材料，但是最大的問題是太脆了,，它和普通的玻璃是一樣的,。經過近幾年一系列的研究,，我們在金屬玻璃的增韌領域取得了很大的發(fā)展，發(fā)展了一系列的方法和新型材料,。去年我們推出了一個新型的金屬材料家族,，即超納材料，也在《Nature》雜志上獲得了中國結構材料領域首篇封面文章,，也是去年中國科學家在《Nature》雜志上52個期刊里發(fā)表的唯一一篇封面文章,。

這個新型金屬材料的力學性能比普通金屬合金、鎂合金高很多,，也比同樣成分的金屬玻璃高很多,，變形能力達6%。它的力學性能接近了材料的理論值,。這項成果也有幸作為中國自然科學基金委季刊第三季季刊去年的封面文章,。

超納材料是一種新型的顛覆性材料，可以用在具有復雜形狀的各種材料中,，在高分子材料,、玻璃、陶瓷材料上都可以鍍上超納材料的膜,。

4D打印陶瓷和軟物質也符合原始創(chuàng)新的三要素（唯一性,、顛覆性和最佳性）。彈性體衍生的折紙?zhí)沾珊?D打印陶瓷是2018年8月發(fā)表在了《Science  Advances》,，獲得了美國最大的網站New Scientist及美聯(lián)社,、俄羅斯的新華社等眾多著名媒體的廣泛關注。

4D打印陶瓷的工藝
4D打印陶瓷的方法有很多種,，這次使用的是前驅體,，即先打印前驅體的基底，把這個前驅體的基底進行應變,，在應變的前驅體上再打印,，這樣就可以打印出不同結構的材料，用同一個系統(tǒng)打印,，經過燒結以后就得到不同類型的陶瓷材料,。這種前驅體具有超高的變形能力，這樣就有機會制造出很復雜形狀的陶瓷,。燒結工藝也是非常重要的,，經過燒結以后得到的是納米陶瓷，外面包裹的是非晶材料,，這兩個材料結合起來使得這個材料的力學性能遠比同類高很多,。

我們通過設計這些連接部位，使得它形成一個可變形的結構，再用3D打印把這個結構打印在一個有了預應變的基底上,，就可以形成多種形狀的復雜的陶瓷結構,。這個工作也為陶瓷藝術家今后的發(fā)展提出了很多新的方案。

4D打印陶瓷的應用
4D打印陶瓷也許在未來的5G手機時代就可以得到更大應用,，如打印個性化的手機背板,，因為5G手機不能再用金屬背板，只能用陶瓷,、玻璃或者塑料,，陶瓷是在所有材料中是最高級的，因此這種技術有可能會有所應用,，同時又不阻攔5G的信號,。

我們通過計算進行復雜的打印紋路設計，從而打印出來的陶瓷形狀就會非常復雜,。各種復雜形狀都可以通過變形演變出來,，以前高熔點的材料都很難做出非常復雜形狀，今天4D打印陶瓷和打印折紙?zhí)沾删蜑槲覀冏鲞@一類的材料指出了一個新的路徑,。從力學性能來講,，這種結構也遠遠超過了普通的3D打印陶瓷。

未來的發(fā)展與應用：
1,、用表面納米化的方法大幅度提高3D打印結構的疲勞性能，比如,，航空發(fā)動機葉片通過后處理或3D打印過程中的處理,，可以大幅度的提高疲勞極限。
2,、航空發(fā)動機的隔熱材料：航空發(fā)動機的隔熱材料發(fā)展趨勢包括新的合金,、熱脹涂層陶瓷及做復雜形狀的冷卻系統(tǒng)，4D打印出的陶瓷形狀可以是非常復雜的,，同時又能承受很高溫度的熱沖擊,。

來源：數(shù)字維創(chuàng)