非均相陶瓷的3D/4D增減法制造

來源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)
供稿人：寧帥、魯中良 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

異質(zhì)陶瓷材料是指由不同物理和機(jī)械性質(zhì)的區(qū)域組成的材料，類似于自然界中的珍珠母、骨骼、竹子和土壤。這種材料的制造在實(shí)際應(yīng)用中面臨很多挑戰(zhàn)，比如靈活性、幾何復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)分辨率、制造效率和材料多樣性等方面。雖然非均相陶瓷材料具有高硬度、剛度和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但由于其脆性，應(yīng)用受到限制。通過將兩種或更多種陶瓷材料結(jié)合，可以形成具有潛在從脆性到塑性轉(zhuǎn)變的異質(zhì)陶瓷。

研究者們展示了一種靈活且快速的方法，通過形狀變化（4D）或形狀保持（3D）的增材-減材制造（ASM）方法，制造復(fù)雜且精確的異質(zhì)陶瓷。形狀變化策略是通過全局陶瓷化異質(zhì)前體實(shí)現(xiàn)的，而形狀保持策略則是通過局部再陶瓷化均質(zhì)陶瓷實(shí)現(xiàn)的。通過有限元分析（FEA）模擬熱收縮對(duì)異質(zhì)陶瓷形狀變形的影響，可以為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供有價(jià)值的預(yù)測(cè)。

圖1 零高斯曲率非均勻陶瓷彎曲構(gòu)型的4D打印

文章詳細(xì)介紹了材料的制備方法，包括使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氧化鋯（ZrO2）納米顆粒制備前體墨水，以及使用不同的填料濃度來控制熱收縮率。還介紹了3D/4D打印的具體步驟，包括使用不同的墨水進(jìn)行打印、固化和熱處理，以實(shí)現(xiàn)陶瓷化和形狀變化。

通過實(shí)驗(yàn)和模擬，研究者們展示了如何通過控制前體材料的熱收縮率來實(shí)現(xiàn)異質(zhì)陶瓷的形狀變化，例如彎曲配置、鞍形表面和球形帽。此外，還探討了如何通過局部加熱和再陶瓷化技術(shù)來制造形狀保持的異質(zhì)陶瓷，例如陶瓷交叉、太極和熊貓圖案。

圖2 負(fù)高斯曲率非均質(zhì)陶瓷鞍面4D打印

圖3 局部復(fù)瓷技術(shù)輔助下保持異質(zhì)陶瓷形狀的3D打印。(a)示意圖。(b) 3D打印異質(zhì)陶瓷十字、太極、熊貓圖案

文章還討論了將減材制造技術(shù)（如激光雕刻/切割）與形狀變化/保持策略相結(jié)合，以提高異質(zhì)陶瓷的3D結(jié)構(gòu)分辨率和4D變形精度。這種方法可以應(yīng)用于制造高精度的陶瓷藝術(shù)品和珠寶裝飾，提供了一種新的制造復(fù)雜形狀和高分辨率異質(zhì)陶瓷的途徑。

圖4 由異質(zhì)陶瓷制成的蝴蝶形珠寶的4D ASM

最后，文章指出這種3D/4D ASM方法不僅適用于高溫材料，還可以擴(kuò)展到金屬和鉆石材料。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以將前體材料轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)SiOC或納米晶-非晶雙相（NCADP）陶瓷。這種材料在熱防護(hù)系統(tǒng)、輻射耐受材料和核系統(tǒng)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
Liu G ,Lu X ,Zhang X , et al.3D/4D additive–subtractive manufacturing of heterogeneous ceramics[J].Journal of Materials Science & Technology,2024,201210-221.