美國HRL團隊實現(xiàn)高分子陶瓷3D打印

利用3D打印技術，可以制備出傳統(tǒng)成型技術難以或無法獲得的各種復雜形狀的陶瓷產品。我們可以將陶瓷粉末與塑料等粘結劑進行均勻混合，制備出所需的打印材料，然后通過計算機輔助，設計出客戶所需的各種形狀，并通過打印機打印出所需的產品，因此3D打印陶瓷技術成為科研人員關注的一個重要技術發(fā)展方向。

但是3D打印陶瓷技術往往會造成材料中微小的缺陷，導致成品容易出現(xiàn)裂紋，其主要原因在于：原料中加入了大量的粘結劑，3D打印過程中粉體經粘結劑粘合,形成不同形狀的陶瓷素坯，這種方法獲得的陶瓷素坯密度較低，然后再在高溫燒結爐中燒結，在燒結過程中,粘結劑排出產生大量氣體容易形成裂紋。因此目前利用3D打印技術制備陶瓷應用還不是非常廣泛。

目前，有美國團隊已經成功通過3D打印技術獲得比較完整的陶瓷產品，成品率較高，這些思路值得我們借鑒。美國HRL實驗室的科研人員實現(xiàn)了高分子陶瓷的3D打印，采用該方法制備高強度陶瓷產品。HRL實驗室科研人員采用了一種新思路：先將可以轉變成陶瓷的原料進行3D打印，再進行處理轉變?yōu)樘沾僧a品。

HRL團隊首先開發(fā)出一種可3D打印的陶瓷聚合物前體，在激光打印成型后再進行加熱使之變成陶瓷，這種聚合物材料支持常見的激光3D打印技術，可以打印出復雜度更高的陶瓷物體，且速度比傳統(tǒng)的立體選擇性激光打印方法快100~1000倍。

更重要的是，HRL公司發(fā)明的這種3D打印聚合物，陶瓷強度高達當前商用泡沫陶瓷的10倍。據(jù)了解，高強度耐高溫陶瓷材料在航天工業(yè)有重要的用途，航天器中大量采用陶瓷元件，例如機翼板和軌道火箭的內部結構。

目前，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)已經授予該團隊燒蝕陶瓷外殼的開發(fā)合同，該外殼將用于航天器的隔熱層，用于抵御返回大氣層時產生的熱量。

該方法未來可在航空航天領域得到廣泛使用，比如發(fā)動機渦輪葉片，防護隔熱材料，新型隱身武器吸波材料，大型空間反射鏡和空間反射鏡支撐結構件等等，這些結構材料往往形狀比較復雜，利用傳統(tǒng)的技術方法制備成本較高或者周期較長，我們可以找到相應結構材料所對應的前驅體聚合物，采用該3D打印技術來解決這些難題。

此外，美國Amedica公司也宣布首次使用一種被稱為機械沉積（Robotic deposition或Robocasting）的3D打印技術制造出復雜的氮化硅3D結構。

所謂機械沉積，是一種使用致密陶瓷和復合材料進行高膠態(tài)泥漿層積的成型技術。這一工藝可以使用更少的粘結劑，而且陶瓷可以在24h之內完全燒結。

鑒于上述優(yōu)點，Amedica目前正在推進3D打印氮化硅植入物的商業(yè)化，而且這種3D打印的植入裝置可以通過控制其孔隙率水平以滿足特定的臨床需求。據(jù)稱，這種獨特的制造工藝在氮化硅植入物成型制造方面有很好的前景，同時也可以定制化制造，用于細胞分化和新生血管的骨支架。

被稱為“機械沉積”的3D打印技術制造氮化硅3D結構

利用該3D打印技術可生產優(yōu)質醫(yī)療植入物，如脊柱植入物，髖部植入物，其優(yōu)勢在于：植入物進入人體后，有機骨骼生長的過程中很容易滋生細菌，引起并發(fā)癥，而氧化硅具有抗菌的效果，同時可以減少植入物和周圍骨骼間的生物膜吸收蛋白質、細胞和養(yǎng)分，從而促進骨骼的生長。


來源：科普中國
作者：中國科學院上海硅酸鹽研究所結構陶瓷工程研究中心  陳健
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