非均相陶瓷的3D/4D增減法制造

來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�
供稿人：寧帥、魯中良 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

異質陶瓷材料是指由不同物理和機械性質的區(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際應用中面臨很多挑戰(zhàn)，比如靈活性、幾何復雜性、結構分辨率、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，但由于其脆性，應用受到限制。通過將兩種或更多種陶瓷材料結合，可以形成具有潛在從脆性到塑性轉變的異質陶瓷。

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，制造復雜且精確的異質陶瓷。形狀變化策略是通過全局陶瓷化異質前體實現(xiàn)的，而形狀保持策略則是通過局部再陶瓷化均質陶瓷實現(xiàn)的。通過有限元分析（FEA）模擬熱收縮對異質陶瓷形狀變形的影響，可以為實驗結果提供有價值的預測。

圖1 零高斯曲率非均勻陶瓷彎曲構型的4D打印

文章詳細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行打印、固化和熱處理，以實現(xiàn)陶瓷化和形狀變化。

通過實驗和模擬，研究者們展示了如何通過控制前體材料的熱收縮率來實現(xiàn)異質陶瓷的形狀變化，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來制造形狀保持的異質陶瓷，例如陶瓷交叉、太極和熊貓圖案。

圖2 負高斯曲率非均質陶瓷鞍面4D打印

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

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

圖4 由異質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，還可以擴展到金屬和鉆石材料。通過適當的熱處理，可以將前體材料轉化為非晶態(tài)SiOC或納米晶-非晶雙相（NCADP）陶瓷。這種材料在熱防護系統(tǒng)、輻射耐受材料和核系統(tǒng)等領域具有潛在應用。

參考文獻：
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.