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  4D打印是一種基于3D打印發(fā)展的新型制造技術(shù)。相比3D打印，4D打印將智能材料和力學(xué)設(shè)計(jì)融入制造過程。通過施加外界環(huán)境刺激（如光、熱、電、磁等），打印結(jié)構(gòu)的形狀或功能可隨時(shí)間（“第四個(gè)維度”）發(fā)生變化。4D打印技術(shù)為生物醫(yī)學(xué)、航空航天等帶來諸多潛在應(yīng)用，同時(shí)為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造提供了新的思路。目前，4D打印的實(shí)現(xiàn)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。盡管這些材料可以實(shí)現(xiàn)較大的變形，但尚難實(shí)現(xiàn)極端條件下的服役。

  陶瓷材料是一類高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的無機(jī)非金屬材料，在高溫和強(qiáng)腐蝕等極端環(huán)境應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢。然而，由于陶瓷材料剛度高、變形能力弱，給陶瓷材料4D打印帶來了極大挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有的陶瓷4D打印多基于直寫式方法，且需模具實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)編程，效率和精度尚待提高。數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)是一種能夠兼顧打印幅面和成型速度的高精度3D打印技術(shù)，但基于DLP技術(shù)的陶瓷4D打印仍面臨以下挑戰(zhàn)：（i）缺乏具有大拉伸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(qū)動(dòng)材料；（iii）缺乏實(shí)現(xiàn)陶瓷彈性體-驅(qū)動(dòng)材料一體化成型的多材料3D打印裝備。

  近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學(xué)原超副教授研究團(tuán)隊(duì)合作在《Nature Communications》雜志上報(bào)道了一種簡單高效的陶瓷4D打印制造方法和設(shè)計(jì)策略。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了適用于DLP打印的光敏陶瓷彈性體漿料和丙烯酸水凝膠前驅(qū)體。光固化后的兩種材料均可實(shí)現(xiàn)較大的變形，其中陶瓷彈性體生坯可承受高達(dá)700%的拉伸應(yīng)變；水凝膠在失水過程中可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65%的體積收縮率，同時(shí)伴有40倍以上的模量增加。采用團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的MultiMatter C1型多材料光固化3D打印設(shè)備打印水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)，通過水凝膠失水驅(qū)動(dòng)層合結(jié)構(gòu)由平面圖案直接演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，在無需額外形狀編程的條件下實(shí)現(xiàn)陶瓷結(jié)構(gòu)的直接4D打印。

圖1. 陶瓷直接4D打印基本原理和流程。

圖2. 燒結(jié)過程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象及其理論模型預(yù)測

圖3. 陶瓷直接4D打印的逆向設(shè)計(jì)。

圖4. 陶瓷直接4D打印的各種復(fù)雜三維陶瓷物體。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45039-y