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可承受近3辆特斯拉跑车的重量,4D打印陶瓷是如何形成的?

2019-9-3 15:31|发布者:西独欧阳风|查看:1948|评论: 0|来自: DeepTech深科技

摘要: 可承受近3辆特斯拉跑车的重量,4D打印陶瓷是如何形成的?
演绎 inSite 第二十七期节目:4D 打印,陶瓷何以变形?

演讲嘉宾:刘果 香港城市大学博士后

大家好,我叫刘果,来自香港城市大学,今天我想跟大家分享的题目是:4D 打印,陶瓷何以变形?

大家都知道 3D 打印,3D 打印是指我们构建一个 3D 的数字化模型,通过一层一层材料堆积的方式,构建一个三维的结构材料。4D 打印一般是指用于 3D 打印的材料,可以在一定的刺激下,比如水、电、光、热等,发生可以编程的自主变形。一般来说现在 4D 打印的材料集中在高分子材料上,比如水凝胶等。



陶瓷是一种非常坚硬的材料,不易发生变形,所以限制了陶瓷 4D 打印的方法。香港城市大学吕坚教授团队开发了一种新的陶瓷墨水,这种墨水可以同时具有三个功能:首先它可以 3D 打印出复杂的高分子结构,并且因为它是软的、有弹性的,可以发生可编程自变形,最后通过一系列的物理和化学反应,这种弹性体就转换成了陶瓷,有这三个元素支撑我们就开发了陶瓷 4D 打印的概念。

首先,我想跟大家介绍一下 3D 打印陶瓷的方法。我们通过墨水直写的方式,把陶瓷墨水装在一个料筒中,通过气压挤出的方式打印出三维结构的陶瓷前驱体,然后把它加热就变成了陶瓷。



比如这个白色的立方块,它是 3D 打印出的陶瓷前驱体,它是软的,有弹性,里面还有一些非常精细的网格结构。而这个黑色立方块,就是它加热之后,经过物理化学变化转变成的陶瓷结构。可以看到,转变后立方块还是立方块,它有着很好的形状保持能力,如果仔细观察的话,里面精细的网格结构也得到了很好的保持。


图 | 3D 打印的陶瓷前驱体

3D 打印的陶瓷前驱体具有很强的弹性,可以反复折叠。我们在拉伸机中进行了测试,可以拉到它原始长度的三倍以上然后回弹,我们可以利用这一点,把弹性势能储存起来再释放,这也奠定了 4D 打印陶瓷的基础。最终形成的是一个多级的陶瓷结构,多级就是说宏观上来看,打印出的结果是一个厘米级的、肉眼可见的网格结构,网格只是其中一个代表,我们还可以通过数字编程来设计打印其他结构。如果把结构放大,还可以看到非常精细的、大概有 0.2 毫米粗的丝组成的网格结构。如果把每根丝再放大,可以看到里面有大概 50 纳米的颗粒,我们的一根头发丝的直径大概是 50 微米,也就是说里面的纳米颗粒的直径大概是千分之一的头发丝的直径。如果我们再进一步放大,还有机会看到小于 10 纳米的所谓的超纳孔。肉眼看上去它是一个像皮筋一样的陶瓷前驱体,但实际上它具有纳米材料的一些功能。

在这种 3D 打印陶瓷的方法的基础上,我们利用了陶瓷前驱体的变形能力,做了一些陶瓷折纸结构。陶瓷折纸结构不是 4D 打印的,因为它不是自主的变形。但它是一种折纸艺术,可以做出很多好玩的、很复杂的一些陶瓷结构。这个过程其实也很简单,首先打印出陶瓷前驱体,在手工和一些金属丝的辅助下折成我们想要的结构,比如图中的蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰花、或者裙摆的结构。


图 | 陶瓷折纸结构

关于这种陶瓷折纸结构实现的复杂性,我们可以通过一个数学概念高斯曲率 K 来理解。我们可以把陶瓷折纸和常见的折纸进行对比,常见的折纸使用 A4 纸或餐巾布,只能实现 k 等于零的结构,而对一些复杂的曲率,k 大于零或 k 小于零,比如图中花环结构,这些传统材料因为不能拉伸而无法实现。



图 | 打印陶瓷前驱体

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