供稿人：宁帅、鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-11-03
异质陶瓷材料是指由不同物理和机械性质的区域组成的材料，类似于自然界中的珍珠母、骨骼、竹子和土壤。这种材料的制造在实际应用中面临很多挑战，比如灵活性、几何复杂性、结构分辨率、制造效率和材料多样性等方面。虽然非均相陶瓷材料具有高硬度、刚度和耐腐蚀性等优点，但由于其脆性，应用受到限制。通过将两种或更多种陶瓷材料结合，可以形成具有潜在从脆性到塑性转变的异质陶瓷。
研究者们展示了一种灵活且快速的方法，通过形状变化（4D）或形状保持（3D）的增材-减材制造（ASM）方法，制造复杂且精确的异质陶瓷。形状变化策略是通过全局陶瓷化异质前体实现的，而形状保持策略则是通过局部再陶瓷化均质陶瓷实现的。通过有限元分析（FEA）模拟热收缩对异质陶瓷形状变形的影响，可以为实验结果提供有价值的预测。
图1 零高斯曲率非均匀陶瓷弯曲构型的4D打印
文章详细介绍了材料的制备方法，包括使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氧化锆（ZrO2）纳米颗粒制备前体墨水，以及使用不同的填料浓度来控制热收缩率。还介绍了3D/4D打印的具体步骤，包括使用不同的墨水进行打印、固化和热处理，以实现陶瓷化和形状变化。
通过实验和模拟，研究者们展示了如何通过控制前体材料的热收缩率来实现异质陶瓷的形状变化，例如弯曲配置、鞍形表面和球形帽。此外，还探讨了如何通过局部加热和再陶瓷化技术来制造形状保持的异质陶瓷，例如陶瓷交叉、太极和熊猫图案。
图2 负高斯曲率非均质陶瓷鞍面4D打印
图3 局部复瓷技术辅助下保持异质陶瓷形状的3D打印。(a)示意图。(b) 3D打印异质陶瓷十字、太极、熊猫图案
文章还讨论了将减材制造技术（如激光雕刻/切割）与形状变化/保持策略相结合，以提高异质陶瓷的3D结构分辨率和4D变形精度。这种方法可以应用于制造高精度的陶瓷艺术品和珠宝装饰，提供了一种新的制造复杂形状和高分辨率异质陶瓷的途径。
图4 由异质陶瓷制成的蝴蝶形珠宝的4D ASM
最后，文章指出这种3D/4D ASM方法不仅适用于高温材料，还可以扩展到金属和钻石材料。通过适当的热处理，可以将前体材料转化为非晶态SiOC或纳米晶-非晶双相（NCADP）陶瓷。这种材料在热防护系统、辐射耐受材料和核系统等领域具有潜在应用。