吕坚：3/4D打印陶瓷及高熔点材料原理、工艺及应用

阅读前请先思考以下几个问题：
1、4D打印陶瓷及高熔点材料是什么，原理是什么？
2、4D打印陶瓷及高熔点材料有哪些工艺？
3、4D打印陶瓷及高熔点材料都可以应用在哪些方面？

吕坚，讲座教授，香港城市大学副校长，研究生院院长，先进结构材料研究中心主任。研究范畴包括先进及纳米材料的制备与力学性能，生物与仿生材料（多稳态结构，柔性机器人）力学，先进材料与产品集成设计。曾经任由空客，EADS，SNECMA，ABB，FIAT等十八家公司与研究所大学参加的欧盟项目首席科学家。中科院沈阳金属所客座首席科学家，北京科技大学，东北大学，南昌大学名誉教授，西安交通大学，西北工业大学顾问教授，上海交通大学，中南大学，上海大学等校客座教授。研究成果在Nature（封面文章）, Science, Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances，PRL, JMPS, Acta Materials等SCI杂志上发表350篇论文。2006年，2017年分别获法国政府授予法国国家荣誉骑士勋章和法国国家荣誉军人团骑士勋章。2011年被法国国家技术科学院选为院士，2018年获中国工程院光华工程科技奖。

增材制造是一个非常重要的领域，因为美国制造的五大基本元素包括设计、材料、工艺、增材制造和价值链，所以我希望学校做出的研究能够在这5个领域都有一定的突破。

香港城市大学是一个全球领先的学校，在3D打印领域发展的更快，因为3D打印机是本科生一年级开始就用的工具，学校有几十台3D打印机，分别提供给艺术系、土木系等专业的学生使用，可以打印出不同的物品。我们在增材制造研究的主要目标包括高附加值领域（生物医疗、航空航天）、超纳合金和纳米粉，还有“墨水”新工艺及相关烧结工艺、4D打印技术还有SMAT原位3D打印增值致密处理。

学校在生物领域也用不同的机器打印出不同的生物零部件或器官。学校也使用全球最小的3D打印机来做一些新型的设计，比如在生命科学领域，我们用世界上最小的3D打印机打出来微型机器人，这个机器人有200条腿，因为其中加了磁性的材料，所以它可以在人的血管里跑来跑去运输药物。这个成果也刚刚在《Nature Communications》上发表。

4D打印陶瓷的原理
我认为原始创新的三个要素是唯一性、颠覆性和最佳性，4D打印陶瓷就是根据这个原则开展的。

超纳材料是用PVD做的，也是一种增材制造，来源于液态金属或者金属玻璃的材料。金属玻璃是一种非常好的3D打印材料，但是最大的问题是太脆了，它和普通的玻璃是一样的。经过近几年一系列的研究，我们在金属玻璃的增韧领域取得了很大的发展，发展了一系列的方法和新型材料。去年我们推出了一个新型的金属材料家族，即超纳材料，也在《Nature》杂志上获得了中国结构材料领域首篇封面文章，也是去年中国科学家在《Nature》杂志上52个期刊里发表的唯一一篇封面文章。

这个新型金属材料的力学性能比普通金属合金、镁合金高很多，也比同样成分的金属玻璃高很多，变形能力达6%。它的力学性能接近了材料的理论值。这项成果也有幸作为中国自然科学基金委季刊第三季季刊去年的封面文章。

超纳材料是一种新型的颠覆性材料，可以用在具有复杂形状的各种材料中，在高分子材料、玻璃、陶瓷材料上都可以镀上超纳材料的膜。

4D打印陶瓷和软物质也符合原始创新的三要素（唯一性、颠覆性和最佳性）。弹性体衍生的折纸陶瓷和4D打印陶瓷是2018年8月发表在了《Science  Advances》，获得了美国最大的网站New Scientist及美联社、俄罗斯的新华社等众多著名媒体的广泛关注。

4D打印陶瓷的工艺
4D打印陶瓷的方法有很多种，这次使用的是前驱体，即先打印前驱体的基底，把这个前驱体的基底进行应变，在应变的前驱体上再打印，这样就可以打印出不同结构的材料，用同一个系统打印，经过烧结以后就得到不同类型的陶瓷材料。这种前驱体具有超高的变形能力，这样就有机会制造出很复杂形状的陶瓷。烧结工艺也是非常重要的，经过烧结以后得到的是纳米陶瓷，外面包裹的是非晶材料，这两个材料结合起来使得这个材料的力学性能远比同类高很多。

我们通过设计这些连接部位，使得它形成一个可变形的结构，再用3D打印把这个结构打印在一个有了预应变的基底上，就可以形成多种形状的复杂的陶瓷结构。这个工作也为陶瓷艺术家今后的发展提出了很多新的方案。

4D打印陶瓷的应用
4D打印陶瓷也许在未来的5G手机时代就可以得到更大应用，如打印个性化的手机背板，因为5G手机不能再用金属背板，只能用陶瓷、玻璃或者塑料，陶瓷是在所有材料中是最高级的，因此这种技术有可能会有所应用，同时又不阻拦5G的信号。

我们通过计算进行复杂的打印纹路设计，从而打印出来的陶瓷形状就会非常复杂。各种复杂形状都可以通过变形演变出来，以前高熔点的材料都很难做出非常复杂形状，今天4D打印陶瓷和打印折纸陶瓷就为我们做这一类的材料指出了一个新的路径。从力学性能来讲，这种结构也远远超过了普通的3D打印陶瓷。

未来的发展与应用：
1、用表面纳米化的方法大幅度提高3D打印结构的疲劳性能，比如，航空发动机叶片通过后处理或3D打印过程中的处理，可以大幅度的提高疲劳极限。
2、航空发动机的隔热材料：航空发动机的隔热材料发展趋势包括新的合金、热胀涂层陶瓷及做复杂形状的冷却系统，4D打印出的陶瓷形状可以是非常复杂的，同时又能承受很高温度的热冲击。

来源：数字维创