供稿人：齊晨云、連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-01-25
4D打印在智能設備、生物醫(yī)學、軟體機器人等領域具有應用前景。目前研究人員通過編程預應變、熱、磁及4D打印過程中觸發(fā)驅動等刺激實現水凝膠、形狀記憶聚合物、金屬、陶瓷等材料的4D打印。陶瓷因高熔點、高硬度、出色的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性而在工程中得到廣泛應用，由于其脆性，具有復雜幾何形狀的陶瓷的制造仍有一定的困難。4D打印為制造由預編程的簡單圖案變形為復雜幾何形狀陶瓷提供了一種方案。
香港城市大學呂堅教授團隊[1]建立了一種直接4D打印方法，通過內部刺激對具有優(yōu)異機械性能的陶瓷材料的目標形狀進行編程，而3D打印后不需要任何額外的夾具。
該團隊設計了一種梯度雙層結構，如圖1所示。陶瓷油墨由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和納米氧化鋁粉組成，按納米氧化鋁粉的梯度分數分為10w%、20w%、30w%和40w%四種類型。打印油墨從多噴頭打印機擠出，第一個噴頭打印底層，然后第二個噴頭按照編程路徑打印上層（圖1A）。由于每層氧化鋁濃度不同，在燒結過程中發(fā)生了不同程度的收縮，產生了界面應力，導致變形。制造4D打印陶瓷只需要三個步驟：（i）用不同的油墨打印雙層結構，（ii）在100°C下固化以形成可拉伸的坯體，以及（iii）在高溫（1350°C）下燒結以獲得變形的陶瓷（圖1B）。測量了四種油墨的剪切流變特性，如圖1C所示。流變測量表明，4種油墨表現出最佳的流變性能。圖1D顯示了印刷和燒結晶格結構，頂層和底層之間沒有觀察到明顯的間隙，氧化鋁濃度較低的層與氧化鋁濃度較高的層牢固連接。測量并計算了四種油墨燒結后的變形和收縮率（圖1E）。收縮率隨著氧化鋁顆粒濃度的增加而降低，當氧化鋁濃度從10wt%逐漸增加到40wt%時，收縮率從0.25下降到0.09，通過這種方式，可以實現精確的變形控制。
圖1 直接4D打印雙層結構及其基本特性
（A）用不同的油墨印刷雙層結構。（B）印刷雙層結構的固化和燒結。（C）四種陶瓷油墨的剪切流變性能。（D）固化前驅體與燒結后得到的樣品的比較。（E）不同氧化鋁濃度油墨在寬度和長度方向上的收縮率
為了證明所提出的4D打印方法的設計性和可控性，該團隊設計了一系列復雜的幾何形狀，通過調整氧化鋁的質量分數打印了目標幾何形狀（圖2）。在具有不同氧化鋁質量分數的同一平面底座上打印了四種十字形結構，實現了四種不同曲率的目標抓取器，燒結后得到四種不同的結構（圖2A）；制造了具有三個不同手指的手掌形結構，以說明一個物體內不同曲率的實現和控制（圖2B）。兩層之間油墨的配置使得能夠制造由多個曲率組成的結構，除了油墨中氧化鋁粉比例外，還可以修改印刷角度以實現各向異性變形（圖2C），底層首先使用含有60wt%氧化鋁的墨水印刷，之后利用含有30wt%氧化鋁的墨水以不同角度（0°和90°）打印上層，當上層以0°和90°打印時，葉子分別向0°和90°的方向彎曲；為了研究制造復雜形狀的潛力，制造了普通蜻蜓結構（圖2D），分別使用40wt%和10wt%氧化鋁油墨打印的蜻蜓的兩個部分，特別是底座和嵌入部分，燒結后嵌入部分表現出彎曲變形，而底座部分保持平坦，從而形成具有局部彎曲翅膀的三維蜻蜓。
圖2 具有復雜形狀和變形的陶瓷的4D打印
（A）具有不同形變的十字形結構；（B）具有不同曲率的手指的手掌形結構；（C）各向異性葉片；（D）蜻蜓的嵌入部分和底座呈平面圖案，燒結后呈現3D飛行方向。比例尺：10mm
該團隊提出的復雜幾何形狀陶瓷直接制造方法具有簡單性，但其在工業(yè)領域（如先進高溫機械部件和藝術品設計）中的應用仍有待探究。