供稿人：齊晨云、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-01-25
4D打印在智能設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。目前研究人員通過編程預(yù)應(yīng)變、熱、磁及4D打印過程中觸發(fā)驅(qū)動(dòng)等刺激實(shí)現(xiàn)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(diǎn)、高硬度、出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而在工程中得到廣泛應(yīng)用，由于其脆性，具有復(fù)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(yù)編程的簡(jiǎn)單圖案變形為復(fù)雜幾何形狀陶瓷提供了一種方案。
香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)[1]建立了一種直接4D打印方法，通過內(nèi)部刺激對(duì)具有優(yōu)異機(jī)械性能的陶瓷材料的目標(biāo)形狀進(jìn)行編程，而3D打印后不需要任何額外的夾具。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種梯度雙層結(jié)構(gòu)，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?jǐn)?shù)分為10w%、20w%、30w%和40w%四種類型。打印油墨從多噴頭打印機(jī)擠出，第一個(gè)噴頭打印底層，然后第二個(gè)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(jié)過程中發(fā)生了不同程度的收縮，產(chǎn)生了界面應(yīng)力，導(dǎo)致變形。制造4D打印陶瓷只需要三個(gè)步驟：（i）用不同的油墨打印雙層結(jié)構(gòu)，（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(jié)以獲得變形的陶瓷（圖1B）。測(cè)量了四種油墨的剪切流變特性，如圖1C所示。流變測(cè)量表明，4種油墨表現(xiàn)出最佳的流變性能。圖1D顯示了印刷和燒結(jié)晶格結(jié)構(gòu)，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(cè)量并計(jì)算了四種油墨燒結(jié)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(dāng)氧化鋁濃度從10wt%逐漸增加到40wt%時(shí)，收縮率從0.25下降到0.09，通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)精確的變形控制。
圖1 直接4D打印雙層結(jié)構(gòu)及其基本特性
（A）用不同的油墨印刷雙層結(jié)構(gòu)。（B）印刷雙層結(jié)構(gòu)的固化和燒結(jié)。（C）四種陶瓷油墨的剪切流變性能。（D）固化前驅(qū)體與燒結(jié)后得到的樣品的比較。（E）不同氧化鋁濃度油墨在寬度和長(zhǎng)度方向上的收縮率
為了證明所提出的4D打印方法的設(shè)計(jì)性和可控性，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列復(fù)雜的幾何形狀，通過調(diào)整氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)打印了目標(biāo)幾何形狀（圖2）。在具有不同氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同一平面底座上打印了四種十字形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了四種不同曲率的目標(biāo)抓取器，燒結(jié)后得到四種不同的結(jié)構(gòu)（圖2A）；制造了具有三個(gè)不同手指的手掌形結(jié)構(gòu)，以說(shuō)明一個(gè)物體內(nèi)不同曲率的實(shí)現(xiàn)和控制（圖2B）。兩層之間油墨的配置使得能夠制造由多個(gè)曲率組成的結(jié)構(gòu)，除了油墨中氧化鋁粉比例外，還可以修改印刷角度以實(shí)現(xiàn)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(dāng)上層以0°和90°打印時(shí)，葉子分別向0°和90°的方向彎曲；為了研究制造復(fù)雜形狀的潛力，制造了普通蜻蜓結(jié)構(gòu)（圖2D），分別使用40wt%和10wt%氧化鋁油墨打印的蜻蜓的兩個(gè)部分，特別是底座和嵌入部分，燒結(jié)后嵌入部分表現(xiàn)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(fù)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(jié)構(gòu)；（B）具有不同曲率的手指的手掌形結(jié)構(gòu)；（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(jié)后呈現(xiàn)3D飛行方向。比例尺：10mm
該團(tuán)隊(duì)提出的復(fù)雜幾何形狀陶瓷直接制造方法具有簡(jiǎn)單性，但其在工業(yè)領(lǐng)域（如先進(jìn)高溫機(jī)械部件和藝術(shù)品設(shè)計(jì)）中的應(yīng)用仍有待探究。