供稿人：张海天、鲁中良 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-10-07
三维 （3D） 打印为可编程结构陶瓷架构提供了解决方案。然而，异质陶瓷的发展受到异质性、几何复杂性、结构分辨率、制造效率和材料多样性的低灵活性的限制。
提出并论证了两种具有代表性的异质陶瓷制备策略——形状改变策略和形状保持策略。通过变形（4D）或形状保持（3D）增材减法制造（ASM）方法制造复杂而精确的异质陶瓷的灵活快速的方法，异质陶瓷的形状变化策略是通过异质前体的全局陶瓷化实现，而异质陶瓷的形状保持策略是通过均质陶瓷的局部再生实现。
图1 形状改变策略与形状保持策略异质陶瓷示意图
通过有限元分析（FEA）模拟了形状变化策略中占主导地位的热收缩对非均质陶瓷形状变形的影响，可以对实验结果进行有价值的预测。提出了异质陶瓷材料3D/4D ASM范式，可以实现异质性的高灵活性（异质前驱体的整体陶瓷化和均质陶瓷的局部再陶瓷化）、高几何复杂性（包括零、负和正高斯曲率）、高结构分辨率（最小特征尺寸小于100μm）、快速的一步形状/材料转变（几分钟内）和高材料多样性（可扩展到金属和金刚石材料）。
图2 4D 打印具有零高斯曲率的异质陶瓷弯曲结构。（A）打印示意图（B）异质前体设计（C）感应加热炉中异质前体结构向异质陶瓷弯曲结构的形状和材料转变（D, E）异质前体的 TGA 和 DSC 结果显示，聚合物到陶瓷的转变发生在 300°C 以上的温度下。（f）每种前体材料的拉伸行为。（G）每种前体材料在 300°C 以下温度下的热膨胀行为（H）以热收缩为主导的形状转变的 FEA 模拟与实验结果的比较（I）4D 打印异质陶瓷弯曲结构样品，曲率值为 0.190 ± 0.003 mm–1（N = 3）
以热收缩为主导的异质陶瓷形状转变研究为预测和利用陶瓷4D打印中涉及的一步形状/材料转变提供了有价值的解决方案。激光减材制造与形状改变/保持策略的结合为复杂精密异质陶瓷的3D/4D打印提供了潜力，可应用于高温MEMS或珠宝和艺术装饰领域。
3D/4D 打印作为一种以材料为导向的制造技术，未来陶瓷打印研究可以集中于开发具有可编程控制的智能材料，以改变相应的形状、性质和功能，从而在多材料、多模量、多尺度、多系统、多维和多功能打印方面开辟多种视角。与单材料 4D 打印相比，多材料 4D 打印有助于从异质结构或异质前体制备智能材料，为可编程控制提供多种解决方案。