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業(yè)，如果真的成功的話，那就是百億級的產業(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)的硅膠基質納米復合彈性體材料作為陶瓷前驅體。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