吕坚院士：4D打印陶瓷将有巨大的应用前景

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

△吕坚院士为“2D/3D/4D打印双相纳米金属与纳米陶瓷复合材料”的报告

在高峰论坛上，法国国家技术科学院院士、香港城市大学讲座教授吕坚做了题为“2D/3D/4D打印双相纳米金属与纳米陶瓷复合材料”的报告。会后，南极熊专访了吕坚院士。

南极熊：吕院士你好，我是南极熊3D打印网的代表，很高兴您能接受我们的采访。您刚才做了关于金属和陶瓷3D打印的报告，可以简单说说其技术原理吗？

吕坚院士：我在“2D/3D/4D打印双相纳米金属与纳米陶瓷复合材料”的报告中，介绍的是陶瓷复合材料和金属材料，不是金属和陶瓷复合材料。但是陶瓷本身就是一个复合材料，是一个高分子前驱体和一个纳米陶瓷粉结合到一起以后，做成一种墨水，通过3D打印成型，然后再烧结出来一个双相的陶瓷材料，所以它的力学性能都比较好。

南极熊：从2D到3D到4D，这个过程当中会有什么样的不一样变化？

吕坚院士：我管他叫2D，是因为现在用2D的金属材料来增强3D打印以后的结构，2D就是物理气相沉积（PVD），但因为做得不够厚，现在只能做到十个微米，真正的2D材料是几百个纳米。我们现在可以做80个纳米到几十个微米，以后要做微型器件的3D打印，可能会用到相应的技术来实现增强提升。

南极熊：4D打印如何理解呢？

吕坚院士：4D有两种，我们这第4D是就是前驱体，打印在一个预变形的基体上，根据预变形的不同，最后产生的三维形状是不同的。但因为预变形是通过计算和可编程的，所以全世界也都承认这个是4D打印。实际上，我们也做了很多其他的工艺，比如说3D打印后，通过加一个磁力改变形状，或者放到水里改变形状，或者放到酒精里改变形状，获得不同的结构；当然随着时间的不同，它的反应程度也不同。

南极熊：这个技术在哪些领域上会有一些比较前沿的应用？

吕坚院士：例如我刚才说的微型器械，还有航空领域、3C产业，像手机里有很多小的陶瓷部件，现在都是用机加工做的，但价钱昂贵，而且形状比较简单。以后如果可以打印的话，我相信会有很多新的设计方案出来。还有就是3D打印手机外壳，手机外壳是一个很大的产业，如果真的成功的话，那就是百亿级的产业。

关于吕坚院士的陶瓷4D打印

2018年8月，香港城市大学吕坚院士研究组全球首次实现了陶瓷的4D打印（Four-dimensional printing），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，和适应环境变化能力上实现了突破，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。

4D打印一般是指在一定刺激（譬如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。之前报道的可以3D打印的陶瓷前驱体材料通常较难发生自变形，限制了陶瓷4D打印的发展。

有鉴于此，吕坚院士研究组从材料出发，开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体。这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，从而逐步实现打印陶瓷折纸结构（Printed ceramic origami）和4D打印陶瓷 （4D printing of ceramics）。

文献链接：https://advances.sciencemag.org/content/advances/4/8/eaat0641.full.pdf