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香港城市大學(xué)（香港城大）的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)全球首套4D打印陶瓷技術(shù)，在材料研發(fā)上取得突破性進(jìn)展，這項(xiàng)新技術(shù)可以打印出既堅(jiān)固且形狀復(fù)雜的陶瓷，為陶瓷結(jié)構(gòu)的應(yīng)用翻開(kāi)了新的一頁(yè)。

由于陶瓷有熔點(diǎn)高的特性，因此難以用傳統(tǒng)的激光打印方法來(lái)制造陶瓷。而現(xiàn)時(shí)以3D打印的陶瓷前驅(qū)體通常較難變形，故此窒礙了一些形狀復(fù)雜陶瓷的生產(chǎn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，香港城大團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的「陶瓷墨水」── 一種聚合物和陶瓷納米顆粒的混合物。團(tuán)隊(duì)采用這種新型墨水，以3D打印出來(lái)的陶瓷前驅(qū)體，既柔軟且富彈性，可以拉伸至超過(guò)原來(lái)材料長(zhǎng)度的三倍。這些柔韌且可拉伸的陶瓷前驅(qū)體，為制造一些復(fù)雜形狀，例如折紙結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。通過(guò)適當(dāng)?shù)母邷靥幚恚�就可以制造出形狀�?fù)雜的陶瓷。

柔韌且可拉伸的陶瓷前驅(qū)體為制造復(fù)雜形狀的陶瓷創(chuàng)造了條件。上圖是模仿蝴蝶（左上）、悉尼歌劇院（右上）、玫瑰（左下）和裙子（右下）折紙結(jié)構(gòu)，用打印出來(lái)的陶瓷前驅(qū)體制作而成的陶瓷。制作過(guò)程：用金屬絲綑綁有彈性的前驅(qū)體以達(dá)致預(yù)期形狀，經(jīng)過(guò)熱處理轉(zhuǎn)化為陶瓷后，再以硝酸銷蝕掉金屬絲。

    這項(xiàng)研究是由香港城大副校長(zhǎng)（研究及科技）及機(jī)械工程學(xué)講座教授呂堅(jiān)教授帶領(lǐng)，呂教授是一名出色的材料科學(xué)家，研究范疇包括納米及先進(jìn)材料的制備，和表面工程仿真仿真設(shè)計(jì)。

在成功研發(fā)出彈性的前驅(qū)體這一基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)更取得了另一項(xiàng)突破，就是開(kāi)發(fā)了兩種4D 陶瓷打印方法。

4D打印是指在傳統(tǒng)3D打印的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)時(shí)間維度作為第四維度；當(dāng)3D打印物體的形狀和結(jié)構(gòu)，在一定的外部刺激下，例如機(jī)械力、溫度或磁場(chǎng)，就可以隨著時(shí)間而自我變形或自我組裝。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)利用拉伸了的前驅(qū)體的彈性勢(shì)能來(lái)變形。當(dāng)拉伸的陶瓷前驅(qū)體彈性能量被釋放時(shí)，它會(huì)進(jìn)行自我變形。經(jīng)過(guò)熱處理后，前驅(qū)體就會(huì)轉(zhuǎn)化成陶瓷。

這種由彈性體衍生的4D打印陶瓷，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，具有很高的抗壓強(qiáng)度，可以達(dá)到547 MPa（密度約 1.6 g cm-3），而且相比一般的打印陶瓷，它能容許大尺寸和高強(qiáng)度兩者并存。

呂教授說(shuō)︰「整個(gè)系統(tǒng)聽(tīng)起來(lái)好像很簡(jiǎn)單，但事實(shí)并非如此。從制作墨水到開(kāi)發(fā)整套打印系統(tǒng)，我們嘗試了無(wú)數(shù)次及使用不同的方法。就像在蛋糕上擠奶油一樣，有很多因素影響結(jié)果，從奶油種類、唧嘴大小、擠壓速度和力度，以至溫度，都可以產(chǎn)生影響。」

歷時(shí)逾兩年半，團(tuán)隊(duì)最終克服了現(xiàn)有材料的局限性并開(kāi)發(fā)出整套4D打印陶瓷系統(tǒng)。

在第一種成型方法中，團(tuán)隊(duì)首先用新型陶瓷墨水印制3D陶瓷前驅(qū)體和基底，然后將基底放在雙軸拉伸裝置上進(jìn)行拉伸，再在拉伸了的基底上打印接連陶瓷前驅(qū)體的連接點(diǎn)，之后把陶瓷前驅(qū)體放上去，由計(jì)算機(jī)程序控制時(shí)間和釋放拉伸了的基底，整個(gè)結(jié)構(gòu)便會(huì)屈曲成預(yù)設(shè)的形狀。

  4D打印陶瓷方法一

  

用方法一4D打印而制成的三浦折疊陶瓷

　　在第二種方法中，團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)圖案直接打印在已拉伸的陶瓷前驅(qū)體上。前驅(qū)體在計(jì)算機(jī)程序控制下被釋放，就會(huì)進(jìn)行自我變形。

  4D打印陶瓷方法二

  
 

用方法二4D打印而制成的陶瓷，從左至右為彎曲形、螺旋形和馬鞍形的陶瓷。

　　這項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明剛在最新一期的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上發(fā)表，標(biāo)題為〈彈性體衍生的折紙?zhí)沾珊?span lang="EN-US">4D打印陶瓷〉(Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures)。所有研究團(tuán)隊(duì)的成員均來(lái)自香港城大，包括研究助理劉果博士、高級(jí)副研究員趙巖博士和研究員吳戈博士。

這次研究所開(kāi)發(fā)的用SiOC基質(zhì)納米復(fù)合材料制成的陶瓷結(jié)構(gòu)攻克了打印陶瓷普遍無(wú)法兼具強(qiáng)度與尺度的結(jié)構(gòu)局限。

    呂教授說(shuō)︰「憑借陶瓷前驅(qū)體多樣化的變形能力，它的應(yīng)用范圍可以很廣�！巩�(dāng)中一項(xiàng)重要的應(yīng)用將是電子產(chǎn)品。陶瓷材料在傳輸電磁訊號(hào)方面較金屬材料更優(yōu)越，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)，陶瓷產(chǎn)品將在電子產(chǎn)品制造中發(fā)揮更重要作用。陶瓷的藝術(shù)特性及其可塑成復(fù)雜形狀的能力，將可以為消費(fèi)者度身訂做獨(dú)一無(wú)二的陶瓷手機(jī)背板。

此外，這項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明可以應(yīng)用于航空工業(yè)和太空探索上。呂教授說(shuō)︰「陶瓷堅(jiān)固且耐熱，因此4D打印陶瓷具有極高的潛力，可制作推進(jìn)部件應(yīng)用在航空業(yè)上�！�

憑借材料和4D打印技術(shù)的突破，呂教授表示下一步是提高材料的機(jī)械性能，例如減低其脆性。

此項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大項(xiàng)目、香港大學(xué)教育資助會(huì)的協(xié)作研究金和主題研究計(jì)劃支持。它亦透過(guò)國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心，得到香港創(chuàng)新科技署的資助；并且獲得廣東省科學(xué)技術(shù)廳和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的資助。
 

    呂堅(jiān)教授現(xiàn)為香港城市大學(xué)（研究及科技）副校長(zhǎng)兼研究生院院長(zhǎng)，同時(shí)亦是機(jī)械工程學(xué)講座教授和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任。呂教授在研究上屢創(chuàng)突破，他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)最近成功在陶瓷折紙結(jié)構(gòu)和4D打印的研究取得突破性進(jìn)展，為陶瓷結(jié)構(gòu)的應(yīng)用翻開(kāi)了新的一頁(yè)。