香港城市大學呂堅院士團隊：陶瓷3D/4D打印在中國的發(fā)展

來源：AMF增材制造前沿

增材制造（快速成形）技術(shù)已在我國發(fā)展 30 余年,，為向全球?qū)W者介紹中國的研究成果,，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 執(zhí)行主編李滌塵教授的帶領(lǐng)下,，組織策劃了“中國增材制造 30 年發(fā)展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China),，通過十余個國內(nèi)增材制造領(lǐng)域的代表性團隊的高質(zhì)量論文，向大家介紹過去 30年來我國增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程,、主要研究成果以及未來發(fā)展趨勢,。

引用論文

Xinya Lu, Guo Liu, Jian Lu. Development of Ceramic 3D/4D Printing in China. Additive Manufacturing Frontiers, 2024, 200158.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200158.

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000480


1 研究現(xiàn)狀

30年來，中國在逐點/線/面打印陶瓷技術(shù)上取得一系列成果,，涵蓋材料研發(fā),、工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計,、性能調(diào)控和功能應(yīng)用,。4D打印方面，在新材料（4D打印彈性體衍生陶瓷）,、新工藝（4D增減材復合制造陶瓷）和新功能（4D打印形狀記憶陶瓷）取得一定發(fā)展,。陶瓷打印在航空航天、能源環(huán)境,、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

2 研究難點或瓶頸

目前,，陶瓷增材制造領(lǐng)域面臨諸多挑戰(zhàn),，如高性能陶瓷打印材料的穩(wěn)定性控制、后處理工藝中的開裂及變形控制,、打印精度與效率協(xié)同優(yōu)化,、材料固有脆性難題、復雜形狀復合功能器件成型,、高端打印裝備的材料-工藝一體化研發(fā)等,。此外，4D打印陶瓷技術(shù)在新設(shè)計,、新性能上,、新裝備發(fā)展上的難點是下一階段突破的重要瓶頸。

3 展望

陶瓷3D打印的精度有待進一步提高,，而逐體打印乃至逐群打印是提高陶瓷材料制造效率的關(guān)鍵,。隨著跨學科研究的發(fā)展，結(jié)構(gòu)材料的多材料,、多模量,、多尺度、多系統(tǒng),、多維度和多功能的增材制造將為材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化成型制造和智能制造提供多種解決方案,。4D增減材復合制造陶瓷體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)陶瓷藝術(shù)與現(xiàn)代先進制造技術(shù)的融合，為制造連接自然與技術(shù)的智能仿生結(jié)構(gòu)提供了新的解決方案,。4D打印形狀記憶陶瓷將在開發(fā)功能材料方面發(fā)揮重要作用,。4D打印的多功能變形材料和驅(qū)動機制正在激勵研究人員為特定的陶瓷制造需求設(shè)計解決方案,。同時新型高端制造設(shè)備的研發(fā)將促進新材料、新工藝,、新功能的發(fā)展,。

4 代表性圖片

表1 逐點/線/面打印陶瓷技術(shù)分類及對應(yīng)術(shù)語

圖1 陶瓷4D打印在新材料、新工藝,、新功能上的發(fā)展體系

圖2 陶瓷打印前景：(a)陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢,；(b) 結(jié)構(gòu)材料增材制造的多元化展望；(c) 陶瓷4D打印的潛在應(yīng)用

作者介紹

呂堅（團隊帶頭人）,，法國國家技術(shù)科學院（NATF）院士,，香港工程科學院（HKAES）院士，AMF副主編,，香港城市大學工學院院長,，機械工程講席教授，國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心主任,，先進結(jié)構(gòu)材料研究中心主任,，深圳福田研究院先進結(jié)構(gòu)材料與增材制造研究部主任，沈陽材料科學國家研究中心大灣區(qū)研究部主任,。研究方向涉及先進結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學性能,，機械系統(tǒng)仿真模擬設(shè)計。曾任法國機械工業(yè)技術(shù)中(CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人,、法國特魯瓦技術(shù)大學機械系統(tǒng)工程系系主任,、法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統(tǒng)與并行工程實驗室主任、香港理工大學機械工程系系主任,、講座教授,、香港城市大學院長，副校長兼研究生院院長,。中科院首批海外評審專家,，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學,、北京科技大學,、南昌大學名譽教授，西安交通大學,、西北工業(yè)大學,、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，上海大學,、中山大學,、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員,，2011年被法國國家技術(shù)科學院（NATF）選為院士,，是該院近300位院士中首位華裔院士,。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎,。在Nature（封面）,、Science、Nature Materials,、Science Advances,、Nature Communications、Advanced Materials等專業(yè)期刊上發(fā)表論文500余篇,，引用4萬4千余次,，已取得86項歐、美,、中授權(quán)專利,。

個人主頁：

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

魯馨雅（第一作者），香港城市大學材料科學與工程學院博士生,，從事3D/4D打印高溫材料及新型裝備研發(fā)相關(guān)研究,。在Adv. Mater.、J. Mater. Sci. Technol.,、Addit. Manuf. Front.,、Corros. Sci.期刊發(fā)表論文4篇，申請美國發(fā)明專利3項,、中國發(fā)明專利3項，獲中國材料大會暨世界材料大會“高水平學術(shù)墻報”獎,。

劉果（共同第一作者）,，中國科學技術(shù)大學特任研究員、博士生導師,，入選中國科學院人才引進項目,。2013年于中國科學技術(shù)大學獲得學士學位，2018年于香港城市大學獲得博士學位（導師：呂堅院士）,，隨后在香港城市大學從事博士后研究,，主持香港研究資助局博士后獎學金計劃。長期從事納米復合陶瓷材料的3D/4D增減材復合制造技術(shù)及相關(guān)新型裝備的研發(fā),，以第一/通訊作者（含共同）在Sci. Adv.,、Adv. Mater.（Back Cover論文）、J. Mater. Sci. Technol.（Cover論文）,、Mater. Sci. Eng. R Rep.（ESI高被引論文）,、Engineering、Ceram. Int.,、Rare Metals,、Addit. Manuf. Front.期刊上發(fā)表論文,，獲授權(quán)2D/3D/4D打印陶瓷技術(shù)系列美國發(fā)明專利5項、中國發(fā)明專利5項,。獲評“中國十大新銳科技人物”,，擔任Advanced Powder Materials青年編委、香港發(fā)明創(chuàng)新總會及廣東省機械工程學會增材制造（3D打�,。┓謺�的理��,、損傷與斷裂力學及其工程應(yīng)用研討會分會主席。