呂堅院士：4D打印陶瓷將有巨大的應用前景

2019年9月19-21日,，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�,。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺,，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�,。╊I域成果及人才，促進行業(yè)各環(huán)節(jié),、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合,。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報道,。

△呂堅院士為“2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復合材料”的報告

在高峰論壇上,，法國國家技術科學院院士、香港城市大學講座教授呂堅做了題為“2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復合材料”的報告,。會后,，南極熊專訪了呂堅院士,。

△南極熊專訪呂堅院士

南極熊：呂院士你好,，我是南極熊3D打印網(wǎng)的代表，很高興您能接受我們的采訪,。您剛才做了關于金屬和陶瓷3D打印的報告,，可以簡單說說其技術原理嗎？
呂堅院士：我在“2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復合材料”的報告中,，介紹的是陶瓷復合材料和金屬材料,，不是金屬和陶瓷復合材料。但是陶瓷本身就是一個復合材料,，是一個高分子前驅(qū)體和一個納米陶瓷粉結合到一起以后,，做成一種墨水，通過3D打印成型,，然后再燒結出來一個雙相的陶瓷材料,，所以它的力學性能都比較好。

南極熊：從2D到3D到4D,，這個過程當中會有什么樣的不一樣變化,？
呂堅院士：我管他叫2D，是因為現(xiàn)在用2D的金屬材料來增強3D打印以后的結構,，2D就是物理氣相沉積（PVD）,，但因為做得不夠厚，現(xiàn)在只能做到十個微米,，真正的2D材料是幾百個納米,。我們現(xiàn)在可以做80個納米到幾十個微米，以后要做微型器件的3D打印,，可能會用到相應的技術來實現(xiàn)增強提升,。

南極熊：4D打印如何理解呢？
呂堅院士：4D有兩種,，我們這第4D是就是前驅(qū)體,，打印在一個預變形的基體上,，根據(jù)預變形的不同，最后產(chǎn)生的三維形狀是不同的,。但因為預變形是通過計算和可編程的,，所以全世界也都承認這個是4D打印。實際上,，我們也做了很多其他的工藝,，比如說3D打印后，通過加一個磁力改變形狀,，或者放到水里改變形狀,，或者放到酒精里改變形狀，獲得不同的結構,；當然隨著時間的不同,，它的反應程度也不同。

南極熊：這個技術在哪些領域上會有一些比較前沿的應用,？
呂堅院士：例如我剛才說的微型器械,，還有航空領域、3C產(chǎn)業(yè),，像手機里有很多小的陶瓷部件,，現(xiàn)在都是用機加工做的，但價錢昂貴,，而且形狀比較簡單,。以后如果可以打印的話，我相信會有很多新的設計方案出來,。還有就是3D打印手機外殼,，手機外殼是一個很大的產(chǎn)業(yè)，如果真的成功的話,，那就是百億級的產(chǎn)業(yè),。

關于呂堅院士的陶瓷4D打印
2018年8月，香港城市大學呂堅院士研究組全球首次實現(xiàn)了陶瓷的4D打�,。‵our-dimensional printing）,，相關研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”為題發(fā)表在Science Advances上。

這種4D打印結合了3D打�,。═hree-dimensional printing）,，自變形組裝（Self-shaping assembly），和彈性體衍生陶瓷（Elastomer-derived ceramics,，EDCs）,，在大尺寸陶瓷結構的形狀復雜程度，機械強度，制造成本,，和適應環(huán)境變化能力上實現(xiàn)了突破,，有望廣泛應用在太空探索，3C電子產(chǎn)品,，航空發(fā)動機,，防彈軍事裝備，和高溫微機電系統(tǒng)等領域中,。

4D打印一般是指在一定刺激（譬如熱,，水，磁場,，電流,，紫外線等）下，3D打印物體的形狀和功能隨著時間發(fā)生可編程變化,。4D打印技術之前大都應用在聚合物材料中,，包括水凝膠，形狀記憶聚合物等,。之前報道的可以3D打印的陶瓷前驅(qū)體材料通常較難發(fā)生自變形,，限制了陶瓷4D打印的發(fā)展,。

有鑒于此,，呂堅院士研究組從材料出發(fā)，開發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體,。這些彈性體材料的特性使其可以完成從3D打印到變形的過程,，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y構，從而逐步實現(xiàn)打印陶瓷折紙結構（Printed ceramic origami）和4D打印陶瓷 （4D printing of ceramics）,。

文獻鏈接：https://advances.sciencemag.org/ ... 8/eaat0641.full.pdf