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香港科研團隊實現陶瓷4D打印

2018-08-18
新華社華盛頓2018年8月17日電 17日發表在新一期美國《科學進展》雜誌上的研究顯示,中國香港城市大學呂堅教授研究組首次實現了陶瓷4D打印。這種新技術有望應用於太空探索、電子產品和航空發動機制造等領域。

  4D打印,就是在3D打印基礎上增加了時間維度。4D打印直接將設計內置到物料當中,讓材料在設定的時間自動變形為所需要的形狀,且可隨時間變化。

  與3D打印相比,4D打印對材料有更高要求。此前大多采用水凝膠等聚合物作為4D打印“墨水”,但水凝膠聚合物應用範圍有限。陶瓷前驅體材料應用廣泛,但較難發生自變形,限制了其在4D打印中的發展。

  呂堅研究組的這種打印技術采用復合彈性體陶瓷材料,完成了從3D打印到結構可變形的過程,實現了陶瓷折紙結構的打印和4D陶瓷打印。

  他們采用成本較為低廉的“墨水直寫技術”,用二氧化鋯納米顆粒摻雜的聚二甲基矽氧烷復合材料,構建出3D彈性體結構。這種結構柔軟且具有彈性,可拉伸至超過本身3倍的長度,並可使用金屬絲讓其折疊變形,形成蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰、裙子等折紙結構。

  研究人員利用這種柔性特質設計出一種自動拉伸裝置,讓3D彈性體結構的基底拉伸產生預應力,在其上面打印出主結構。當預應力釋放後,主結構就會發生變形,從而形成4D打印所需的彈性體結構,熱處理後可轉化為4D陶瓷。

  呂堅說,這種4D打印技術可廣泛應用於個性化定制,優勢在於采用相對簡單的圖紙設計,就可衍生出一系列形狀相似且連續可變的結構,而傳統的3D打印只能一個圖紙對應一個結構。

  此外,4D陶瓷熱處理只需1000攝氏度即可完成,而傳統陶瓷粉末燒結則需要1600攝氏度,因此4D打印工藝成本相對低廉。

  研究人員認為,如將新技術應用於太空探索領域,有望將3D打印前驅體折疊起來以節省空間,進入太空後再展開獲得需要的結構。
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