南方科技大學葛锜/西安交通大學原超團隊：陶瓷4D打印研究最新進展

4D打印是一種基于3D打印發展的新型制造技術。相比3D打印，4D打印將智能材料和力學設計融入制造過程。因此在外界環境刺激（如光、熱、電、磁等）下，4D打印結構可隨時間產生形狀或功能的改變，在生物醫療、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。目前，實現4D打印的材料主要局限于水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體等智能軟材料，而對于陶瓷類材料的4D打印仍存在諸多技術瓶頸。現有的陶瓷4D打印主要基于墨水直寫工藝，且需模具實現結構預編程，效率和精度有待提高。數字光處理（DLP）技術是一種通過紫外光面投影成型的高精度3D打印技術，但將該技術用于陶瓷4D打印仍面臨以下幾個挑戰：（i）缺乏具有大變形能力的光固化陶瓷彈性體樹脂；（ii）缺乏與陶瓷彈性體樹脂匹配的光固化驅動材料；（iii）缺乏可以一體化成型陶瓷彈性體-驅動材料的多材料3D打印技術和裝備。

2024年1月26日，南方科技大學機械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學原超副教授研究團隊提出了一種簡單高效的陶瓷4D打印制造方法和設計策略。采用團隊自主開發的多材料光固化3D打印設備制造水凝膠-陶瓷彈性體層合結構，通過水凝膠失水驅動層合結構由平面圖案演化為復雜三維結構，在無需額外形狀編程的條件下實現陶瓷結構的直接4D打印。該研究成果以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"為題，發表在《Nature Communications》期刊上。南方科技大學機械與能源工程系研究助理教授王榮、西安交通大學副教授原超和南方科技大學博士研究生程健翔為論文共同第一作者。西安交通大學原超副教授和南方科技大學葛锜教授為論文共同通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。

圖1展示了陶瓷4D打印的基本流程。采用南科大葛锜教授課題組自主研發的多材料光固化3D打印設備一體化成型界面牢固的水凝膠-陶瓷彈性體層合結構，通過水凝膠失水驅動平面圖案演化為復雜三維結構，進而利用高溫脫脂和燒結得到純陶瓷三維結構。

圖1. 陶瓷4D打印的基本原理和流程。

圖2展示了研究團隊為陶瓷4D打印開發出的低粘度光敏陶瓷彈性體漿料和丙烯酸水凝膠前驅體。固化成型的陶瓷彈性體生坯具有大變形能力，可承受高達700%的拉伸應變，其力學性能可通過改變漿料中交聯劑含量來調控。水凝膠作為驅動材料，在失水過程中可實現高達65%的體積收縮率和40倍以上的模量提升，在變形失配誘導下帶動層合結構產生整體彎曲變形，其更重要的是，光固化陶瓷彈性體-水凝膠層合結構界面韌性好，保證其在變形過程中不會發生界面剝離。

圖2. 光固化陶瓷彈性體和水凝膠材料的性能表征。

如圖3所示，在燒結過程中，彎曲的層合結構發生了曲率回撤現象。通過實驗研究和有限元模擬，研究團隊將現象歸因于燒結過程中層合結構厚度方向的不均勻收縮。綜合考慮水凝膠失水過程中層合結構變形以及燒結過程中陶瓷結構曲率回撤現象，研究團隊建立了基于相轉變的本構模型描述水凝膠脫水的剛度增加和體積收縮，進而結合層合梁理論預測陶瓷彈性體-水凝膠層合結構的脫水彎曲過程，最后將陶瓷燒結過程中變形梯度引發的非均勻收縮引入理論模型，計算最終的結構彎曲變形，理論預測與實驗結果取得了很好的一致性。利用理論模型繪制的設計機制圖可以定量呈現結構變形與結構參數的映射關系，為水凝膠-陶瓷層合結構設計提供了有效指導。

圖3. 燒結過程中陶瓷結構曲率回撤現象及其理論模型預測。

圖4展示了陶瓷4D打印的逆向設計流程：1）通過三維建模提取目標構型特征參數；2）設計平面圖案確定待定設計參數；3）理論模型計算待定設計參數；4）有限元模擬預測三維形狀；5）多材料打印實現層合結構到目標三維形狀的構型轉換。以正四面體為例，具體展示了陶瓷4D打印的設計流程，實驗結果與最初的設計目標一致。

圖4. 陶瓷4D打印的逆向設計流程。

如圖5所示，通過對平面層合結構進行多樣化圖案設計，可實現如立方體盒子、Miura折紙結構、鶴、三葉風扇和蝎子等各種三維陶瓷結構。與模具輔助變形和手動折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅動的陶瓷直接4D打印技術能夠更簡單、更高效、更精準地制造各三維陶瓷結構，為復雜陶瓷結構的設計和制造開辟了新的途徑。

圖5. 陶瓷4D打印的復雜三維結構。

MultiMatter C1

基于高精度數字光處理3D打印技術和離心式多材料切換技術，MultiMatter C1多材料3D打印裝備可實現任意復雜異質結構快速成型，在力學超材料、生物醫學、柔性電子、軟體機器人等領域具有重要應用潛力。

設備亮點

離心式多材料切換技術:開發的離心式多材料切換技術可實現高效材料切換和殘液去除。離心轉速可調，最高達8000轉/分鐘，60秒內即可完成多材料切換，單次打印多材料切換最大次數高達2000次。

可打印材料范圍廣:該設備支持粘度在50-5000 cps范圍內的硬性樹脂、彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子和導電彈性體等材料及這些材料組合結構的多材料3D打印，為不同行業和應用領域，提供了材料選擇的靈活性。

多功能多材料耦合結構實現：該設備可打印高復雜度、高精度、多功能、多材料耦合結構，支持同時打印2種材料，可打印層內多材料和層間多材料，且多材料層內過渡區尺寸在200μm以內，為復雜多材料結構制造提供高精度解決方案。