【SAMA国际论坛专家风采】香港城市大学吕坚教授组全球首创陶瓷 4D 打印
发布时间：2018-10-15 12:18:54 人气：194
论坛背景
自2015年以来，上海市增材制造协会为响应政府号召和促进产业发展，每年定期举办SAMA国际论坛暨世界3D打印年会。论坛以专业化、国际化为特色，以促进全球范围增材制造产业技术交流与合作为宗旨，搭建政府、科研机构、企业和用户之间国际交流合作平台，获得了政府各级部门的大力支持和增材制造领域专家、企业的高度认可。第三届SAMA国际论坛暨2018世界3D打印年会将于10月26-28日在上海临港滴水湖皇冠假日酒店举办。
专家简介
吕坚, 香港城市大学副校长, 机械工程学讲座教授, 法国国家技术科学院院士，香港工程科学院院士。研究方向涉及纳米材料与先进材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟,仿真模拟设计。
现任或曾任中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学和北京科技大学名誉教授, 西安交通大学和西北工业大学顾问教授， 上海交通大学，浙江大学，中山大学,上海大学、中南大学, 昆明理工大学等大学客座教授, 中科院知名学者团队成员。
2006年获法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章及2017年获法国政府颁授法国国家荣誉军团骑士勋章（两类荣誉骑士勋章都是法国国家级的荣誉，由法国总统任命）。
2010年被美国实验力学学会选为会士（FELLOW）。2011年被法兰西国家技术科学院（工程院）选为院士，是该院298位院士中首位当选的华裔院士。2018年获中国工程院光华工程科技奖。
全球首创陶瓷 4D 打印
香港城市大学吕坚教授研究组全球首次实现了陶瓷的 4D 打印(Four-dimensional printing)。 今天，相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances 上。这种 4D 打印结合了 3D 打印(Three-dimensional printing)，自变形 组装(Self-shaping assembly)，和弹性体衍生陶瓷(Elastomer-derived ceramics，EDCs)， 在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度，机械强度，制造成本，和适应复杂环境能力上实现了 突破，有望广泛应用在太空探索，3C 电子产品，航空发动机，防弹军事装备，和高温微 机电系统等领域中。
在此次研究中，他们先实现了 3D 打印陶瓷。他们采用了墨水直写打印(Direct ink writing) 这种成本较为低廉的打印方式，构建弹性体 3D 结构，然后在氩气或真空中进行热处理， 得到一级陶瓷，然后在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。开发这两级陶瓷可以丰富 材料的外观，譬如这里一级陶瓷是黑色的，而二级陶瓷是白色的。
然后他们实现了陶瓷折纸结构。3D 打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形， 经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝可以被硝酸销蚀掉，最后只剩下陶瓷结构。他 们由此构建了复杂陶瓷折纸结构，包括蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、和裙子。
在方法一中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将 3D 打印的基底在两个方向进 行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用 于连接基底和其上的 3D 打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中 的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成 4D 打印 的弹性体结构，热处理后 进而形成4D 打印的陶瓷结构。他们由此构建了经典的拓扑结构三浦折叠(Miura-ori)。
在方法二中，陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生 4D 变形。
他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子，其中包括弯曲，螺旋，和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉伸方向的夹角等。
参考文献
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Zanchetta, E. et al. Adv. Mater. 28, 370-376 (2015)
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Meza, L.R. et al. Science 345, 1322-1326 (2014)
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Bauer, J. et al. PNAS 111, 2453-2458 (2014)
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Bauer, J. et al. Nat. Mater. 15, 438-443 (2016)
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Colombo, P. et al. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2245-2251 (2001)
结温度要超过 1600℃，而此工作中热处理 1000℃即可陶瓷化)。
结语
此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题 研究计划、香港创新科技署(通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心)、广东 省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。