供稿人：戚書豪、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-07-19
增材制造（AM）技術(shù)通過(guò)逐層沉積材料來(lái)生成三維物體，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種先進(jìn)陶瓷組件的制造。陶瓷材料的增材制造技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、粘合劑噴射打?。˙JP）、直接墨水書寫（DIW）、立體光刻（SLA）和數(shù)字光處理（DLP）等。然而，這些增材制造技術(shù)產(chǎn)生的靜態(tài)和剛性結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足先進(jìn)應(yīng)用中所需的動(dòng)態(tài)功能需求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，四維（4D）打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它被定義為“3D打印+時(shí)間”。一個(gè)4D打印的構(gòu)件是在預(yù)定義的外部環(huán)境刺激下，能夠隨時(shí)間改變其形狀、性質(zhì)或功能的3D打印智能構(gòu)件。4D打印技術(shù)的關(guān)鍵是成熟的3D打印技術(shù)和合適的刺激響應(yīng)材料，這將使許多領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用中產(chǎn)生新的部件和組件，如航空航天、軟體機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
目前，4D打印技術(shù)的研究主要集中在形狀記憶合金、聚合物和凝膠等材料制成的零件的宏觀變形行為上，如彎曲、伸長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)和波紋等，這些材料對(duì)熱、光、水、電流和磁場(chǎng)等刺激具有響應(yīng)。相比之下，陶瓷材料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此打印的陶瓷素坯或燒結(jié)的陶瓷構(gòu)件都不具有柔性，無(wú)法進(jìn)一步進(jìn)行形狀重構(gòu)。因此，開發(fā)具有彈性的陶瓷材料和相關(guān)4D打印過(guò)程對(duì)于擴(kuò)大先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要。
圖1 Ou[1]等開發(fā)的柔性聚合物衍生陶瓷制造工藝和可控變形過(guò)程
聚合物衍生陶瓷是一類由前驅(qū)體熱解形成的陶瓷材料，通過(guò)在800-1300℃下將前驅(qū)體高分子分解成陶瓷來(lái)獲得最終的陶瓷構(gòu)件，研究者發(fā)現(xiàn)通過(guò)直接墨水書寫方法制造的高分子前驅(qū)體結(jié)構(gòu)具有一定的柔性和變形能力，這為實(shí)現(xiàn)可穩(wěn)定變形的陶瓷結(jié)構(gòu)4D打印提供了機(jī)會(huì)；然而直接墨水書寫方法的制造精度和特征精細(xì)程度較差，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)的可控變形。對(duì)此，廣東工業(yè)大學(xué)伍尚華團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種柔性的前驅(qū)體液態(tài)漿料，可用于陶瓷前驅(qū)體的光固化成形。如圖1所示，該團(tuán)隊(duì)將聚硅氮烷（YSZ）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）的混合物作為前驅(qū)體制備光固化漿料，再通過(guò)DLP光固化打印成形前驅(qū)體素坯零件。打印的前驅(qū)體素坯具有很高的柔性，可以通過(guò)較低的壓力進(jìn)行彎曲、扭曲、折疊和壓縮等復(fù)雜的變形模式，打印的薄片結(jié)構(gòu)可以在外力下被組裝變形成多面體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。隨后，通過(guò)熱解過(guò)程將聚合物轉(zhuǎn)換為氮化硅陶瓷，發(fā)現(xiàn)施加的變形形狀得到了較好的保持。該研究還將氮化硅粉末引入到開發(fā)的光固化漿料體系中，研究發(fā)現(xiàn)氮化硅的引入顯著降低了前驅(qū)體熱解過(guò)程中的線收縮率，提高了陶瓷產(chǎn)率，并且有效防止了聚合物到陶瓷轉(zhuǎn)化過(guò)程中樣品的坍塌，通過(guò)摻雜10wt %的氮化硅陶瓷將所開發(fā)材料的彎曲強(qiáng)度提升至130.61±16.01 MPa，維氏硬度提升至6.43±0.12 GPa。
圖2 制備的聚合物衍生陶瓷在外力下的不同變形模式
柔性聚合物衍生陶瓷的DLP打印技術(shù)為陶瓷材料的4D打印提供了新的思路和方法。未來(lái)，隨著4D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，增材制造技術(shù)制備的陶瓷有望具備更智能的環(huán)境響應(yīng)能力和更優(yōu)異的性能，從而在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。