供稿人：張海天、魯中良 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-10-07
三維 （3D） 打印為可編程結(jié)構(gòu)陶瓷架構(gòu)提供了解決方案。然而，異質(zhì)陶瓷的發(fā)展受到異質(zhì)性、幾何復雜性、結(jié)構(gòu)分辨率、制造效率和材料多樣性的低靈活性的限制。
提出并論證了兩種具有代表性的異質(zhì)陶瓷制備策略——形狀改變策略和形狀保持策略。通過變形（4D）或形狀保持（3D）增材減法制造（ASM）方法制造復雜而精確的異質(zhì)陶瓷的靈活快速的方法，異質(zhì)陶瓷的形狀變化策略是通過異質(zhì)前體的全局陶瓷化實現(xiàn)，而異質(zhì)陶瓷的形狀保持策略是通過均質(zhì)陶瓷的局部再生實現(xiàn)。
圖1 形狀改變策略與形狀保持策略異質(zhì)陶瓷示意圖
通過有限元分析（FEA）模擬了形狀變化策略中占主導地位的熱收縮對非均質(zhì)陶瓷形狀變形的影響，可以對實驗結(jié)果進行有價值的預測。提出了異質(zhì)陶瓷材料3D/4D ASM范式，可以實現(xiàn)異質(zhì)性的高靈活性（異質(zhì)前驅(qū)體的整體陶瓷化和均質(zhì)陶瓷的局部再陶瓷化）、高幾何復雜性（包括零、負和正高斯曲率）、高結(jié)構(gòu)分辨率（最小特征尺寸小于100μm）、快速的一步形狀/材料轉(zhuǎn)變（幾分鐘內(nèi)）和高材料多樣性（可擴展到金屬和金剛石材料）。
圖2 4D 打印具有零高斯曲率的異質(zhì)陶瓷彎曲結(jié)構(gòu)。（A）打印示意圖（B）異質(zhì)前體設計（C）感應加熱爐中異質(zhì)前體結(jié)構(gòu)向異質(zhì)陶瓷彎曲結(jié)構(gòu)的形狀和材料轉(zhuǎn)變（D, E）異質(zhì)前體的 TGA 和 DSC 結(jié)果顯示，聚合物到陶瓷的轉(zhuǎn)變發(fā)生在 300°C 以上的溫度下。（f）每種前體材料的拉伸行為。（G）每種前體材料在 300°C 以下溫度下的熱膨脹行為（H）以熱收縮為主導的形狀轉(zhuǎn)變的 FEA 模擬與實驗結(jié)果的比較（I）4D 打印異質(zhì)陶瓷彎曲結(jié)構(gòu)樣品，曲率值為 0.190 ± 0.003 mm–1（N = 3）
以熱收縮為主導的異質(zhì)陶瓷形狀轉(zhuǎn)變研究為預測和利用陶瓷4D打印中涉及的一步形狀/材料轉(zhuǎn)變提供了有價值的解決方案。激光減材制造與形狀改變/保持策略的結(jié)合為復雜精密異質(zhì)陶瓷的3D/4D打印提供了潛力，可應用于高溫MEMS或珠寶和藝術裝飾領域。
3D/4D 打印作為一種以材料為導向的制造技術，未來陶瓷打印研究可以集中于開發(fā)具有可編程控制的智能材料，以改變相應的形狀、性質(zhì)和功能，從而在多材料、多模量、多尺度、多系統(tǒng)、多維和多功能打印方面開辟多種視角。與單材料 4D 打印相比，多材料 4D 打印有助于從異質(zhì)結(jié)構(gòu)或異質(zhì)前體制備智能材料，為可編程控制提供多種解決方案。