可承受近3輛特斯拉跑車的重量，4D打印陶瓷是如何形成的,？

演繹 inSite 第二十七期節(jié)目：4D 打印，陶瓷何以變形,？

演講嘉賓：劉果 香港城市大學博士后

大家好,，我叫劉果，來自香港城市大學,，今天我想跟大家分享的題目是：4D 打印,，陶瓷何以變形？

大家都知道 3D 打印,，3D 打印是指我們構(gòu)建一個 3D 的數(shù)字化模型,，通過一層一層材料堆積的方式，構(gòu)建一個三維的結(jié)構(gòu)材料,。4D 打印一般是指用于 3D 打印的材料，可以在一定的刺激下,，比如水,、電、光,、熱等,，發(fā)生可以編程的自主變形。一般來說現(xiàn)在 4D 打印的材料集中在高分子材料上,，比如水凝膠等,。

陶瓷是一種非常堅硬的材料，不易發(fā)生變形,，所以限制了陶瓷 4D 打印的方法,。香港城市大學呂堅教授團隊開發(fā)了一種新的陶瓷墨水，這種墨水可以同時具有三個功能：首先它可以 3D 打印出復雜的高分子結(jié)構(gòu),，并且因為它是軟的,、有彈性的，可以發(fā)生可編程自變形,，最后通過一系列的物理和化學反應,，這種彈性體就轉(zhuǎn)換成了陶瓷，有這三個元素支撐我們就開發(fā)了陶瓷 4D 打印的概念,。

首先,，我想跟大家介紹一下 3D 打印陶瓷的方法。我們通過墨水直寫的方式,，把陶瓷墨水裝在一個料筒中,，通過氣壓擠出的方式打印出三維結(jié)構(gòu)的陶瓷前驅(qū)體,，然后把它加熱就變成了陶瓷。

比如這個白色的立方塊,，它是 3D 打印出的陶瓷前驅(qū)體,，它是軟的，有彈性,，里面還有一些非常精細的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),。而這個黑色立方塊，就是它加熱之后,，經(jīng)過物理化學變化轉(zhuǎn)變成的陶瓷結(jié)構(gòu),。可以看到,，轉(zhuǎn)變后立方塊還是立方塊,，它有著很好的形狀保持能力，如果仔細觀察的話,，里面精細的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也得到了很好的保持,。

圖 | 3D 打印的陶瓷前驅(qū)體

3D 打印的陶瓷前驅(qū)體具有很強的彈性，可以反復折疊,。我們在拉伸機中進行了測試,，可以拉到它原始長度的三倍以上然后回彈，我們可以利用這一點,，把彈性勢能儲存起來再釋放,，這也奠定了 4D 打印陶瓷的基礎。最終形成的是一個多級的陶瓷結(jié)構(gòu),，多級就是說宏觀上來看,，打印出的結(jié)果是一個厘米級的、肉眼可見的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),，網(wǎng)格只是其中一個代表,，我們還可以通過數(shù)字編程來設計打印其他結(jié)構(gòu)。如果把結(jié)構(gòu)放大,，還可以看到非常精細的、大概有 0.2 毫米粗的絲組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),。如果把每根絲再放大,，可以看到里面有大概 50 納米的顆粒，我們的一根頭發(fā)絲的直徑大概是 50 微米,，也就是說里面的納米顆粒的直徑大概是千分之一的頭發(fā)絲的直徑,。如果我們再進一步放大，還有機會看到小于 10 納米的所謂的超納孔,。肉眼看上去它是一個像皮筋一樣的陶瓷前驅(qū)體,，但實際上它具有納米材料的一些功能,。

在這種 3D 打印陶瓷的方法的基礎上，我們利用了陶瓷前驅(qū)體的變形能力,，做了一些陶瓷折紙結(jié)構(gòu),。陶瓷折紙結(jié)構(gòu)不是 4D 打印的，因為它不是自主的變形,。但它是一種折紙藝術(shù),，可以做出很多好玩的、很復雜的一些陶瓷結(jié)構(gòu),。這個過程其實也很簡單,，首先打印出陶瓷前驅(qū)體，在手工和一些金屬絲的輔助下折成我們想要的結(jié)構(gòu),，比如圖中的蝴蝶,、悉尼歌劇院、玫瑰花,、或者裙擺的結(jié)構(gòu),。

圖 | 陶瓷折紙結(jié)構(gòu)

關(guān)于這種陶瓷折紙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的復雜性,，我們可以通過一個數(shù)學概念高斯曲率 K 來理解,。我們可以把陶瓷折紙和常見的折紙進行對比，常見的折紙使用 A4 紙或餐巾布,，只能實現(xiàn) k 等于零的結(jié)構(gòu)，而對一些復雜的曲率,，k 大于零或 k 小于零,，比如圖中花環(huán)結(jié)構(gòu),，這些傳統(tǒng)材料因為不能拉伸而無法實現(xiàn),。

圖 | 打印陶瓷前驅(qū)體

在打印陶瓷折紙技術(shù)基礎上,，我們開發(fā)了 4D 打印陶瓷的概念，4D 打印陶瓷其實就是相當于把打印折紙中手動的一部分數(shù)字化和自動化,。用拉伸機作為代表,，我們把打印的陶瓷前驅(qū)體進行拉伸。

圖 | 拉伸前驅(qū)體并在上面打印所需結(jié)構(gòu)

拉伸之后在上面可以打印需要的結(jié)構(gòu),，比如三浦折紙結(jié)構(gòu),，這是一種非常經(jīng)典的拓撲結(jié)構(gòu)。當我們釋放之前拉伸的預應力時,，上面的三浦折紙結(jié)構(gòu)就會屈曲變形,，形成一個三維的結(jié)構(gòu),，最后把這個 4D 打印的陶瓷前驅(qū)體進行熱處理就可以得到 4D 打印的陶瓷。

圖 | 4D 打印陶瓷過程

4D 打印陶瓷最核心的部分在于陶瓷前驅(qū)體的彈性,，我們可以利用這種彈性勢能激發(fā)可編程的自主變形,。4D 打印陶瓷的另外一種方法同樣是利用陶瓷前驅(qū)體的彈性勢能，我們先拉伸要打印的陶瓷前驅(qū)體,，然后在上面打印設計一些結(jié)構(gòu),，比如和拉伸方向一致的條紋結(jié)構(gòu)，當我們釋放這個預應力的時候,，它就會在這個應力的作用下發(fā)生變形,，最終形成彎曲結(jié)構(gòu),。

而如果我們把這個與應力方向平行的條紋改成與應力方向成 45 度角的時候,，它就會發(fā)生螺旋變形。如果我們正反兩面打印條紋,，就有機會得到馬鞍面的造型,。我們不但可以改變條紋的角度，還可以改變條紋的密度,，由此設計出很多復雜的陶瓷結(jié)構(gòu),。

圖 | 多種陶瓷結(jié)構(gòu)

下面跟大家介紹一下 4D 打印陶瓷的一些基本優(yōu)勢。第一點從能源和時間上來看,，4D 打印陶瓷具有一定的成本優(yōu)勢,。能源上它不需要 3D 光刻法所需要的激光或者紫外線能源，這些相對來說是比較昂貴的,，也不需要傳統(tǒng)陶瓷粉末燒結(jié)技術(shù)所需要的大概 1600 度以上的高溫,，前驅(qū)體轉(zhuǎn)變的溫度 1000 度就可以實現(xiàn)了，所以體現(xiàn)了能源上的成本優(yōu)勢,。

當我們需要設計一系列類似結(jié)構(gòu)的時候,，時間上的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，因為傳統(tǒng)的 3D 打印是一對一的,，設計一個三維模型就打印出來一個三維結(jié)構(gòu),，而 4D 打印就可以通過改變刺激的大小、刺激的方式,，從一個非常簡單的結(jié)構(gòu)得到一系列形狀相似的結(jié)構(gòu),，所以在某些特定的情形下它具有時間上的成本優(yōu)勢,。

第二點是 4D 打印陶瓷可以實現(xiàn)比較復雜的結(jié)構(gòu),。除了我們前面提到的折紙結(jié)構(gòu)，我們還可以實現(xiàn)非常薄的，大概 0.2 毫米的平板網(wǎng)格鏤空結(jié)構(gòu),、曲面蜂窩結(jié)構(gòu),，這些對于傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝來說是不太容易實現(xiàn)的。

另外陶瓷前驅(qū)體還具有拉伸到超過三倍其本身長度的強變形能力,。這個或許可以用在太空探索中,，我們知道在太空探索的過程中空間是非常珍貴的，那我們就可以把陶瓷前驅(qū)體材料折疊起來,，節(jié)省空間,，當飛船到太空之后再把它展開，利用太陽能或者是地面的激光,，使陶瓷前驅(qū)體局部地或者全部地陶瓷化,，因為陶瓷是一種耐高溫、耐高壓的材料,，所以相當于給太空飛船的某些部分穿上了一層「保護衣」,，這個對于嚴苛環(huán)境中是比較有用的。

最后我們比較關(guān)心打印陶瓷的機械性能,，經(jīng)過測試,，打印的陶瓷抗壓強度可以達到 547 兆帕，這就是說可以在上面壓大概將近三輛特斯拉跑車的重量,。從比強度的概念上與其他材料相比,，比強度是強度比密度，體現(xiàn)的是輕質(zhì)高強的概念,，很多有非常高的比強度的材料只能實現(xiàn)比較小的結(jié)構(gòu),，有的甚至是納米、微米的結(jié)構(gòu),，大大限制它在工業(yè)領(lǐng)域的應用,，而可以達到比較大的厘米級的、宏觀尺度的陶瓷結(jié)構(gòu)的機械性能又非常低,，所以就相當于魚和熊掌不可兼得,。而我們目前制造的硅基陶瓷納米復合材料,，可以兼得高的比強度和大的尺寸,，這將會大大拓展材料在機械工程領(lǐng)域的應用。

來源：DeepTech深科技

我想跟大家展望一下 4D 陶瓷打印技術(shù)的應用前景,。首先跟大家分享一下它在 3C 產(chǎn)品中的應用,，隨著 5G 時代的到來，陶瓷材料將會越來越多地應用在 3C 產(chǎn)品中,，因為相比于塑料來說它的品質(zhì)更高,、顏值更高、質(zhì)感更好；相比于金屬來說,，金屬有電磁屏蔽效應,，所以陶瓷在信號傳輸上比金屬要好；相比于玻璃,，陶瓷又耐磨防刮,，所以它會起到越來越多的作用。

而 4D 打印陶瓷會在這里面扮演什么角色呢,？因為陶瓷前驅(qū)體是可以折疊的,，那我們就可以設計結(jié)構(gòu)，使得打印出的陶瓷一部分是陶瓷,、一部分是陶瓷前驅(qū)體,。而且我們可以設計它們結(jié)合的方式，這樣就可以實現(xiàn)類似于軟陶瓷或者彈性陶瓷,，進而應用在我們手機的背板等地方,。

還有一個高溫領(lǐng)域的應用是航空發(fā)動機，因為陶瓷材料的高熔點,，使得制造這種復雜的陶瓷結(jié)構(gòu)是比較困難的,；還有一個與個性化定制設計息息相關(guān)的生物醫(yī)療領(lǐng)域，人體中的牙齒和骨骼都是不同材料的陶瓷,，那我們就有機會應用 3D 打印進行個性化設計,，而且因為陶瓷墨水是一個開放性系統(tǒng)，它可以根據(jù)你需要的功能來調(diào)整里面陶瓷的配方,，所以它在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應用也值得期待,。

最后，我想介紹一下我們的 4D 打印陶瓷的科研團隊,，我們團隊的負責人是呂堅教授,，他是法國國家技術(shù)科學院院士，也是香港城市大學主管研究和科技的副校長,，也是我的博士導師,。我們的工作去年 8 月份發(fā)表在 Science Advances 科學進展雜志上，我的師兄趙巖博士和吳戈博士都是這個工作的核心成員,，謝謝大家,！