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【科普中國】水凝膠3D打印新突破！“以柔制剛”實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷
粘土和水后柔軟可塑，可捏制、雕刻、塑形，再經(jīng)過特殊的干燥和燒制工藝，從可塑狀態(tài)最終變成堅硬、耐用的陶器或雕塑品，最后通過一種特殊的“烘焙”工藝，就能變成堅硬的陶瓷了。柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體就是這樣一種“神奇泥土”，有了它，我們就能解決陶瓷制造復(fù)雜形狀的難題。
那么，我們?nèi)绾沃圃爝@種“神奇泥土”，又能用什么方式將它“烘干”呢？
陶瓷變“柔軟”，就能“高大上”
我們知道，陶瓷材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗磨損性和良好的電絕緣性，這種優(yōu)異的物理和化學性能使陶瓷成為制造許多日用品的材料。
其實，除了做成家用的鍋碗瓢盆之外，優(yōu)點多多的陶瓷完全可以在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，但太硬、太脆的特性限制了傳統(tǒng)的陶瓷材料（樹脂基陶瓷前驅(qū)體）在更多“高大上”場景中的應(yīng)用。
首先，傳統(tǒng)陶瓷材料難以制造出復(fù)雜的形狀，尤其是在制造復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)時存在明顯困難，這是因為陶瓷材料通過模壓、注漿成型和擠壓等方法加工，且還需經(jīng)過高溫燒結(jié)才能獲得最終的機械性能，這一過程往往導致材料的收縮和變形，從而限制了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制造。
第二，傳統(tǒng)陶瓷加工方法在制造高精度部件時，尺寸控制較為困難，特別是對于微小尺寸的部件。由于材料收縮和燒結(jié)過程中的不可控因素，難以實現(xiàn)高精度制造，而且傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)后往往需要進行二次加工（如研磨和拋光），這也大大增加了生產(chǎn)成本和過程復(fù)雜性。
此外，在傳統(tǒng)制備過程中，陶瓷材料還容易產(chǎn)生裂紋、氣孔和其他缺陷，這些缺陷會顯著降低材料的機械性能和可靠性，尤其在高精度、高強度的應(yīng)用場景下，這些缺陷是不可接受的。
陶瓷制品。圖片來源：圖蟲創(chuàng)意
為此，科學家們開始思考，能否開發(fā)出一種在特定環(huán)境下改變形狀或性能的“神奇泥土”，讓陶瓷材料更大程度地發(fā)揮作用呢？
“剛?cè)岵保禾沾杉尤胨z
想要制造這樣一種“神奇的泥土”并非易事，我們既需要它在成型階段像橡皮泥一樣柔軟易塑，又希望它在成型后像陶瓷一樣堅硬耐用。顯然，現(xiàn)有的材料很難滿足這樣矛盾的要求。
受剪紙藝術(shù)以及智能材料的啟發(fā)，研究人員想到，柔性水凝膠就是一種具有一定可變形性的材料，它能在加工或使用過程中展現(xiàn)出多樣化的性能。那么，能不能使陶瓷結(jié)合這種材料特性，像剪紙一樣“裁”成我們需要的形狀呢？
中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室團隊一直從事3D打印水凝膠和陶瓷材料的研究工作，研究團隊想結(jié)合這兩種截然不同的材料，借助水凝膠的柔性，經(jīng)過相變實現(xiàn)陶瓷硬度，進而達到“以柔制剛”的理想效果。
然而，問題很快就顯現(xiàn)出來，水凝膠和陶瓷的物理性質(zhì)差異巨大，材料很難在成型后保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且存在較大的尺寸收縮和結(jié)構(gòu)開裂問題。
為了能將這兩種材料更好地結(jié)合，團隊想到一個基本方法，來自之前發(fā)表過的一項研究成果——利用水性無機粘結(jié)劑制造低溫燒結(jié)和超低收縮陶瓷。團隊嘗試將水凝膠單體溶解到這種水性無機粘結(jié)劑中，并引入一定量的陶瓷粉體，制造出一種具有光固化性能的水性陶瓷漿料。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，這種材料經(jīng)過光固化后，再依次經(jīng)過干燥、脫脂和燒結(jié)，可以制造出一種超低收縮的陶瓷，并且沒有開裂現(xiàn)象。這意味著，“神奇泥土”——柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體，已成功研制！
光固化3D打印水凝膠柔性前驅(qū)體輔助制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的方案。
圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
水凝膠前驅(qū)體的制備過程
1．?以磷酸二氫鋁溶膠為分散介質(zhì)，混合水凝膠單體和納米陶瓷粉體，制備光敏性水凝膠陶瓷漿料。
2．?將丙烯酰胺和丙烯酸等這樣的水凝膠單體、水溶性的引發(fā)劑LAP、氧化鋁和羥基磷灰石等納米陶瓷粉體與該團隊制備的磷酸二氫鋁溶膠混合，制備光敏性的水凝膠陶瓷漿料。水凝膠單體主要賦予陶瓷漿料優(yōu)異的光固化性能，磷酸二氫鋁溶膠不僅作為分散介質(zhì)，還可作為陶瓷粘結(jié)劑。
這一研究成功結(jié)合了“柔”與“剛”，也為材料科學家提供了一種全新的思考方式：材料不再是單一特性的體現(xiàn)，而是可以有機結(jié)合多種特性，實現(xiàn)更加復(fù)雜和廣泛的應(yīng)用。
3D打印陶瓷：從平面到立體
想讓陶瓷得到更廣泛的應(yīng)用，除了解決塑形問題，還得考慮怎么讓“神奇泥土”變得堅硬，這時，研究人員想到了3D打印技術(shù)。
3D打印技術(shù)能夠運用一些可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造實體零件。如果能將該技術(shù)與柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體結(jié)合，就能夠打造出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品或器件，使其適用于更多的應(yīng)用場景。
具體來說，我們可以先利用光固化3D打印技術(shù)獲得具有優(yōu)異延展性、形狀適應(yīng)性和抗疲勞性的水凝膠柔性骨架，再經(jīng)過脫水干燥、低溫脫脂和高溫燒結(jié)等步驟，使其質(zhì)地變得堅硬，形成超低收縮、高陶瓷產(chǎn)率和形狀保真度的陶瓷結(jié)構(gòu)。
這項技術(shù)在材料科學和制造技術(shù)上實現(xiàn)了三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件制造的重要突破，推動了新型陶瓷材料在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。
在醫(yī)學領(lǐng)域，柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體可用于制造與患者解剖結(jié)構(gòu)完全匹配的植入物，例如針對不同患者的顱骨缺損形狀，利用水凝膠柔性骨架的可變形性，個性化制造出陶瓷結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對骨缺陷部位的修復(fù)。
在航天領(lǐng)域，可以與其他功能性材料復(fù)合，制造復(fù)雜的航空航天結(jié)構(gòu)件。陶瓷材料的高導熱性和耐熱性使其成為理想的散熱材料，結(jié)合這項技術(shù)能夠制造出設(shè)計精確的散熱片，提升電子產(chǎn)品性能，例如電子元件的制作。此外，還可以結(jié)合表面改性策略，制備具有優(yōu)良催化活性和穩(wěn)定性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)催化陶瓷器件……
水凝膠柔性前驅(qū)體輔助制造的無支撐、大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷器件。
圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
3D打印柔性水凝膠前驅(qū)體：突破局限
柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體與3D打印技術(shù)的結(jié)合，突破了傳統(tǒng)硬質(zhì)或脆性陶瓷前驅(qū)體制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的局限，具有許多優(yōu)勢：
1．?設(shè)計更自由，功能更復(fù)雜
由于柔性陶瓷前驅(qū)體在固化前具有一定的柔性，允許人們對其進行更復(fù)雜的設(shè)計和功能集成，如內(nèi)部通道、蜂窩結(jié)構(gòu)或多材料組合。3D打印可在保持高精度的同時，實現(xiàn)復(fù)雜的、定制化的陶瓷結(jié)構(gòu)。
2．?材料性能和結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化
柔性陶瓷前驅(qū)體可以在成形過程中保持一定的韌性，這減少了裂紋和缺陷的產(chǎn)生，并在最終燒結(jié)后的陶瓷材料中實現(xiàn)了高強度和高韌性的優(yōu)異性能。通過調(diào)整3D打印和柔性陶瓷前驅(qū)體的組合，研究人員可精確控制材料的燒結(jié)過程，從而達到優(yōu)化材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的目的。
3．?創(chuàng)新制造工藝與設(shè)計方法
結(jié)合智能材料概念，柔性陶瓷前驅(qū)體可在3D打印過程中展現(xiàn)出特定條件下的可編程特性，使最終的陶瓷產(chǎn)品具有更廣泛的應(yīng)用可能性；結(jié)合3D打印技術(shù)，柔性陶瓷前驅(qū)體可以與其他材料一起打印，形成多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，在一個組件中就能結(jié)合陶瓷材料的優(yōu)良性能和其他材料的功能性特點。
4．?應(yīng)用領(lǐng)域得到創(chuàng)新拓展
柔性陶瓷前驅(qū)體可在生物醫(yī)學領(lǐng)域與電子器件產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，如牙科植入物和骨骼替代物，它們具備陶瓷材料的生物相容性，可根據(jù)患者的具體需求進行定制；3D打印與柔性陶瓷前驅(qū)體的結(jié)合可制造出高性能的電子器件，如耐高溫絕緣子、傳感器外殼等，這些器件需要同時具備高精度和特定的電學性能。
總體來說，3D打印與柔性陶瓷前驅(qū)體的結(jié)合，為制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能陶瓷部件提供了新途徑，推動了材料科學和制造技術(shù)的前沿發(fā)展。
新型陶瓷結(jié)構(gòu)在立體電路、生物醫(yī)用及功能催化領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
3D打印柔性水凝膠前驅(qū)體技術(shù)的進一步發(fā)展，不僅為現(xiàn)有的陶瓷產(chǎn)品提供了新的制造方法，還推動了陶瓷材料在更多新興領(lǐng)域中的應(yīng)用。這一技術(shù)發(fā)展在多學科合作創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，才能最終實現(xiàn)技術(shù)的規(guī)模化推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
