演绎 inSite 第二十七期节目
4D 打印，陶瓷何故变形？
刘果
香港城市大学博士后
刘果 @ 演绎 inSite 讲演视频：
以下为刘果讲演文字稿：
（依据讲演现场收拾，依据本意有所删减，完整版请看视频）
咱们好，我叫刘果，来自香港城市大学，今日我想跟咱们共享的标题是：4D 打印，陶瓷何故变形？
咱们都知道 3D 打印，3D 打印是指咱们构建一个 3D 的数字化模型，通过一层一层资料堆积的办法，构建一个三维的结构资料。4D 打印一般是指用于3D 打印的资料，能够在必定的影响下，比方水、电、光、热等，发作能够编程的自主变形。一般来说现在 4D 打印的资料会集在高分子资料上，比方水凝胶等。
（来历：香港城市大学吕坚教授组）
陶瓷是一种十分坚固的资料，不易发作变形，所以约束了陶瓷 4D 打印的办法。香港城市大学吕坚教授团队开发了一种新的陶瓷墨水，这种墨水能够一起具有三个功用：首要它能够 3D 打印出杂乱的高分子结构，并且由于它是软的、有弹性的，能够发作可编程自变形，终究通过一系列的物理和化学反应，这种弹性体就转化成了陶瓷，有这三个元素支撑咱们就开发了陶瓷 4D 打印的概念。
首要，我想跟咱们介绍一下 3D 打印陶瓷的办法。咱们通过墨水直写的办法，把陶瓷墨水装在一个料筒中，通过气压挤出的办法打印出三维结构的陶瓷前驱体，然后把它加热就变成了陶瓷。
比方这个白色的立方块，它是 3D 打印出的陶瓷前驱体，它是软的，有弹性，里边还有一些十分精密的网格结构。而这个黑色立方块，便是它加热之后，通过物理化学变化改动成的陶瓷结构。能够看到，改动后立方块仍是立方块，它有着很好的形状坚持才能，假如仔细观察的话，里边精密的网格结构也得到了很好的坚持。
图 | 3D 打印的陶瓷前驱体（来历：香港城市大学吕坚教授组）
3D 打印的陶瓷前驱体具有很强的弹性，能够重复折叠。咱们在拉伸机中进行了测验，能够拉到它原始长度的三倍以上然后回弹，咱们能够运用这一点，把弹性势能储存起来再开释，这也奠定了 4D 打印陶瓷的根底。终究构成的是一个多级的陶瓷结构，多级便是说微观上来看，打印出的结果是一个厘米级的、肉眼可见的网格结构，网格仅仅其间一个代表，咱们还能够通过数字编程来规划打印其他结构。假如把结构扩大，还能够看到十分精密的、大约有 0.2 毫米粗的丝组成的网格结构。假如把每根丝再扩大，能够看到里边有大约 50 纳米的颗粒，咱们的一根头发丝的直径大约是 50 微米，也便是说里边的纳米颗粒的直径大约是千分之一的头发丝的直径。假如咱们再进一步扩大，还有时机看到小于 10 纳米的所谓的超纳孔。肉眼看上去它是一个像皮筋相同的陶瓷前驱体，但实际上它具有纳米资料的一些功用。
在这种 3D 打印陶瓷的办法的根底上，咱们运用了陶瓷前驱体的变形才能，做了一些陶瓷折纸结构。陶瓷折纸结构不是 4D 打印的，由于它不是自主的变形。但它是一种折纸艺术，能够做出许多好玩的、很杂乱的一些陶瓷结构。这个进程其实也很简略，首要打印出陶瓷前驱体，在手艺和一些金属丝的辅佐下折成咱们想要的结构，比方图中的蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰花、或许裙摆的结构。
图 | 陶瓷折纸结构（来历：香港城市大学吕坚教授组）
关于这种陶瓷折纸结构完成的杂乱性，咱们能够通过一个数学概念高斯曲率 K 来了解。咱们能够把陶瓷折纸和常见的折纸进行比照，常见的折纸运用 A4 纸或餐巾布，只能完成 k 等于零的结构，而对一些杂乱的曲率，k 大于零或 k 小于零，比方图中花环结构，这些传统资料由于不能拉伸而无法完成。
图 | 打印陶瓷前驱体（来历：香港城市大学吕坚教授组）
在打印陶瓷折纸技能根底上，咱们开发了 4D 打印陶瓷的概念，4D 打印陶瓷其实便是相当于把打印折纸中手动的一部分数字化和自动化。用拉伸机作为代表，咱们把打印的陶瓷前驱体进行拉伸。
图 | 拉伸前驱体并在上面打印所需结构（来历：香港城市大学吕坚教授组）
拉伸之后在上面能够打印需求的结构，比方三浦折纸结构，这是一种十分经典的拓扑结构。当咱们开释之前拉伸的预应力时，上面的三浦折纸结构就会委曲变形，构成一个三维的结构，终究把这个 4D 打印的陶瓷前驱体进行热处理就能够得到 4D 打印的陶瓷。
图 | 4D 打印陶瓷进程（来历：香港城市大学吕坚教授组）
4D 打印陶瓷最中心的部分在于陶瓷前驱体的弹性，咱们能够运用这种弹性势能激起可编程的自主变形。4D 打印陶瓷的别的一种办法同样是运用陶瓷前驱体的弹性势能，咱们先拉伸要打印的陶瓷前驱体，然后在上面打印规划一些结构，比方和拉伸方向共同的条纹结构，当咱们开释这个预应力的时分，它就会在这个应力的效果下发作变形，终究构成曲折结构。
而假如咱们把这个与应力方向平行的条纹改成与应力方向成 45 度角的时分，它就会发作螺旋变形。假如咱们正反两面打印条纹，就有时机得到马鞍面的造型。咱们不光能够改动条纹的视点，还能够改动条纹的密度，由此规划出许多杂乱的陶瓷结构。
图 | 多种陶瓷结构（来历：香港城市大学吕坚教授组）
下面跟咱们介绍一下 4D 打印陶瓷的一些根本优势。第一点从动力和时刻上来看，4D 打印陶瓷具有必定的本钱优势。动力上它不需求 3D 光刻法所需求的激光或许紫外线动力，这些相对来说是比较贵重的，也不需求传统陶瓷粉末烧结技能所需求的大约 1600 度以上的高温，前驱体改动的温度 1000 度就能够完成了，所以表现了动力上的本钱优势。
当咱们需求规划一系列类似结构的时分，时刻上的优势就表现出来了，由于传统的 3D 打印是一对一的，规划一个三维模型就打印出来一个三维结构，而 4D 打印就能够通过改动影响的巨细、影响的办法，从一个十分简略的结构得到一系列形状类似的结构，所以在某些特定的景象下它具有时刻上的本钱优势。
第二点是 4D 打印陶瓷能够完成比较杂乱的结构。除了咱们前面说到的折纸结构，咱们还能够完成十分薄的，大约 0.2 毫米的平板网格镂空结构、曲面蜂窝结构，这些关于传统的陶瓷成型工艺来说是不太简单完成的。
（来历：香港城市大学吕坚教授组）
别的陶瓷前驱体还具有拉伸到超越三倍其自身长度的强变形才能。这个或许能够用在太空探究中，咱们知道在太空探究的进程中空间是十分宝贵的，那咱们就能够把陶瓷前驱体资料折叠起来，节约空间，当飞船到太空之后再把它打开，运用太阳能或许是地上的激光，使陶瓷前驱体部分地或许悉数地陶瓷化，由于陶瓷是一种耐高温、耐高压的资料，所以相当于给太空飞船的某些部分穿上了一层「维护衣」，这个关于苛刻环境中是比较有用的。
终究咱们比较关心打印陶瓷的机械性能，通过测验，打印的陶瓷抗压强度能够到达 547 兆帕，这便是说能够在上面压大约将近三辆特斯拉跑车的分量。从比强度的概念上与其他资料比较，比强度是强度比密度，表现的是轻质高强的概念，许多有十分高的比强度的资料只能完成比较小的结构，有的乃至是纳米、微米的结构，大大约束它在工业范畴的使用，而能够到达比较大的厘米级的、微观标准的陶瓷结构的机械性能又十分低，所以就相当于鱼和熊掌不行兼得。而咱们现在制作的硅基陶瓷纳米复合资料，能够兼得高的比强度和大的尺度，这将会大大拓宽资料在机械工程范畴的使用。
我想跟咱们展望一下 4D 陶瓷打印技能的使用远景。首要跟咱们共享一下它在 3C 产品中的使用，跟着 5G 年代的到来，陶瓷资料将会越来越多地使用在 3C 产品中，由于比较于塑料来说它的质量更高、颜值更高、质感更好；比较于金属来说，金属有电磁屏蔽效应，所以陶瓷在信号传输上比金属要好；比较于玻璃，陶瓷又耐磨防刮，所以它会起到越来越多的效果。
而 4D 打印陶瓷会在这里边扮演什么人物呢？由于陶瓷前驱体是能够折叠的，那咱们就能够规划结构，使得打印出的陶瓷一部分是陶瓷、一部分是陶瓷前驱体。并且咱们能够规划它们结合的办法，这样就能够完成类似于软陶瓷或许弹性陶瓷，从而使用在咱们手机的背板等当地。
还有一个高温范畴的使用是航空发动机，由于陶瓷资料的高熔点，使得制作这种杂乱的陶瓷结构是比较困难的；还有一个与个性化定制规划休戚相关的生物医疗范畴，人体中的牙齿和骨骼都是不同资料的陶瓷，那咱们就有时机使用 3D 打印进行个性化规划，并且由于陶瓷墨水是一个开放性体系，它能够依据你需求的功用来调整里边陶瓷的配方，所以它在生物医疗范畴的使用也值得等待。
终究，我想介绍一下咱们的 4D 打印陶瓷的科研团队，咱们团队的负责人是吕坚教授，他是法国国家技能科学院院士，也是香港城市大学主管研讨和科技的副校长，也是我的博士导师。咱们的作业上一年 8 月份宣布在 Science Advances 科学发展杂志上，我的师兄赵岩博士和吴戈博士都是这个作业的中心成员，谢谢咱们！
