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城大全球首創 陶瓷4D打印

2018-08-22
■呂堅教授指4D打印具多方面優勢。受訪者供圖■呂堅教授指4D打印具多方面優勢。受訪者供圖

獲美4項專利

香港文匯報訊(記者 劉凝哲)香港城市大學呂堅教授團隊近期在材料研究方面取得突破性進展,實現全球首次陶瓷4D打印,並提出「3D打印彈性體-自變形-陶瓷化」的4D打印陶瓷概念。這種新型材料,不僅非常堅固,而且可以打印出複雜形狀,在3C產品、航天器零部件特別是航空發動機製造等方面,擁有很大應用潛力。呂堅教授的研究成果日前發表在Science Advances上,並獲得4項美國專利,被業界認為或將開啟陶瓷結構應用的新篇章。

隨茞{代科技的發展,陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,是許多高技術領域發展的重要關鍵材料,尤其受到各工業發達國家的關注,其發展在很大程度上也影響茖銗L工業的發展和進步。

呂堅教授在接受香港文匯報訪問時表示,在過去數十年研究增材製造、3D打印的基礎上,他率領團隊進行陶瓷材料研究。在國家自然科學基金委等機構的支持下,呂堅通過兩年半的努力,在全球首次實現陶瓷4D打印。

研特製墨水 儲彈性能量

呂堅表示,陶瓷的熔點很高,常規的激光打印技術製造陶瓷非常困難,而現有的3D打印技術製造的陶瓷前驅體通常難以變形,影響了複雜形狀陶瓷製品的生產。為此,呂堅團隊研製出由某種聚合物和陶瓷納米粒子混合而成的「陶瓷墨水」。使用這種「墨水」的3D打印陶瓷前驅體非常柔軟,令陶瓷4D打印成為可能。

他續說:「4D打印,一般是指在3D打印的基礎上增加一個時間維度,使得在熱、水、磁場等一定刺激下,4D打印的物體可以隨時間推移變形或自我重塑。」

呂堅表示,其研究團隊共研究出兩套陶瓷4D打印的方法。利用受到拉伸的陶瓷前驅體中所儲存的彈性能量來進行變形,當拉伸過的陶瓷前驅體被釋放時,他們就會自我重整,經過加熱處理後,前驅體變成陶瓷製品。

呂堅介紹,4D打印出的陶瓷產品,具有多方面優勢。首先,當需要製造一系列相似形狀的陶瓷時,4D打印只需要相對簡單的圖紙設計,就可衍生出一系列形狀相似且連續可變的結構,而傳統3D打印只能一張圖紙對應一個結構。4D打印陶瓷將十分高效,尤其是在定製設計上。

可實現複雜陶瓷結構

此外,呂堅團隊研究提出的「3D 打印彈性體-自變形-陶瓷化」的4D打印陶瓷的概念,可有更廣泛的變體和應用,譬如引入形狀記憶變形等,令4D打印方法上的多樣性,為設計製造用其他方法很難實現的複雜陶瓷結構提供巨大的自由度。同時,作為陶瓷前驅體的彈性體具有強變形能力,可提高結構材料適應複雜應用環境的能力。陶瓷結構具有很高的比強度,並且可以兼具高強度和大尺度。

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