水凝膠3D打印新突破！“以柔制剛”實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷

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(xué)性能也使陶瓷成為了制造許多日用品的材料。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

其實(shí)，除了做成家用的鍋碗瓢盆，優(yōu)點(diǎn)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”的場(chǎng)景中得到應(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(shí)存在顯著困難，這是因?yàn)樘沾赏ú牧铣Ｍㄟ^(guò)模壓、注漿成型和擠壓等方法加工。而陶瓷還需要經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)才能獲得最終的機(jī)械性能，這一過(guò)程往往導(dǎo)致材料的收縮和變形，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(shí)，尺寸控制較為困難，特別是對(duì)于微小尺寸的部件。由于材料收縮和燒結(jié)過(guò)程中的不可控因素，往往難以實(shí)現(xiàn)高精度，而且傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)后往往需要進(jìn)行二次加工（如研磨和拋光），這也大大增加了生產(chǎn)成本和復(fù)雜性。

此外，在傳統(tǒng)制備過(guò)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(huì)顯著降低材料的機(jī)械性能和可靠性，尤其在高精度、高強(qiáng)度的應(yīng)用場(chǎng)景下，這些缺陷是不可接受的。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

為此，科學(xué)家們開始思考，能否開發(fā)出一種能在特定環(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？

想要“剛?cè)岵?jì)”，只需把陶瓷“摻”進(jìn)水凝膠

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，又希望它在成型后卻像陶瓷一樣堅(jiān)硬耐用。顯然，現(xiàn)有的材料很難滿足這樣矛盾的要求。

受到剪紙藝術(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的可變形性的材料，它能在加工或使用過(guò)程中展現(xiàn)出多樣化的性能。那么，能不能讓陶瓷結(jié)合這種材料的特性，使它像剪紙一樣被“裁”成我們需要的形狀呢？

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)一直從事3D打印水凝膠和陶瓷材料的研究工作，我們想將這兩種截然不同的材料結(jié)合起來(lái)，借助水凝膠的柔性，經(jīng)過(guò)相變實(shí)現(xiàn)陶瓷的硬度，進(jìn)而達(dá)到“以柔制剛”的理想效果。

然而，問(wèn)題很快就顯現(xiàn)出來(lái)，水凝膠和陶瓷的物理性質(zhì)差異巨大，導(dǎo)致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(wèn)題。

為了能將兩種材料更好地結(jié)合，我們想到了團(tuán)隊(duì)之前發(fā)表過(guò)的一項(xiàng)成果——利用水性無(wú)機(jī)粘結(jié)劑制造低溫?zé)Y(jié)和超低收縮陶瓷的基本方法。于是，我們嘗試性地將水凝膠單體溶解到這種水性無(wú)機(jī)粘結(jié)劑中，并引入一定量的陶瓷粉體，制造出了一種具有可光固化性能的水性陶瓷漿料。

我們發(fā)現(xiàn)，將這種材料經(jīng)過(guò)光固化后，再依次經(jīng)過(guò)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(méi)有開裂現(xiàn)象。這意味著，“神奇泥土”——柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體被成功研制了出來(lái)！

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(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

水凝膠前驅(qū)體的制備過(guò)程是怎么樣的呢？

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(tuán)隊(duì)自己制備的磷酸二氫鋁溶膠混合來(lái)制備光敏性的水凝膠陶瓷漿料。水凝膠單體主要是賦予陶瓷漿料優(yōu)異的光固化性能，磷酸二氫鋁溶膠不僅作為分散介質(zhì)，還作為陶瓷的粘結(jié)劑。

這一研究成功結(jié)合了柔性與剛性，也為材料科學(xué)家提供了一種全新的思考方式——材料不再僅僅是單一特性的體現(xiàn)，而是可以通過(guò)多種特性的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜和廣泛的應(yīng)用。

從平面到立體，3D打印陶瓷優(yōu)勢(shì)多多

想要讓陶瓷得到更廣泛的應(yīng)用，除了解決塑形的問(wèn)題，我們還得考慮怎么讓“神奇泥土”變得堅(jiān)硬。對(duì)此，研究人員想到了3D打印。

3D打印技術(shù)能夠運(yùn)用一些可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造實(shí)體零件。如果能將其與柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體結(jié)合起來(lái)，我們就能夠打造出更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品或器件，使其適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

具體來(lái)說(shuō)，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(guò)脫水干燥、低溫脫脂和高溫?zé)Y(jié)等步驟，使其變得質(zhì)地堅(jiān)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(xiàng)技術(shù)在材料科學(xué)和制造技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的制造重要突破，推動(dòng)了新型陶瓷材料在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，柔性水凝膠陶瓷前驅(qū)體可以用于制造與患者解剖結(jié)構(gòu)完全匹配的植入物，例如可以針對(duì)患者不同的顱骨缺損形狀，利用水凝膠柔性骨架的可變形性，個(gè)性化制造出陶瓷結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)骨缺陷部位修復(fù)。

在航天領(lǐng)域，它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(dǎo)熱性和耐熱性使其成為理想的散熱材料，可以制作電子元件，結(jié)合這項(xiàng)技術(shù)能夠制造出精確設(shè)計(jì)的散熱片，提升電子產(chǎn)品的性能和可靠性。此外，它還可以結(jié)合表面改性策略，制備具有優(yōu)良的催化活性和穩(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(wú)支撐、大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷器件

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

打破局限，優(yōu)勢(shì)多多

柔性水凝膠基陶瓷前驅(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)體來(lái)制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的局限，帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)：

1.設(shè)計(jì)更自由，實(shí)現(xiàn)功能集成

由于柔性陶瓷前驅(qū)體在固化前具有一定的柔性，因此允許人們對(duì)其進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的、定制化的陶瓷結(jié)構(gòu)。

2.材料性能優(yōu)化，燒結(jié)過(guò)程可控

柔性陶瓷前驅(qū)體可以在成形過(guò)程中保持一定的韌性，減少裂紋和缺陷的產(chǎn)生，從而在最終燒結(jié)后的陶瓷材料中實(shí)現(xiàn)高的強(qiáng)度和韌性；通過(guò)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(guò)程，從而優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

3.制造工藝與設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新

通過(guò)結(jié)合智能材料的概念，柔性陶瓷前驅(qū)體可在3D打印過(guò)程中展現(xiàn)出特定條件下的可編程特性，使得最終的陶瓷產(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)，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)組件中結(jié)合陶瓷材料的優(yōu)良性能和其他材料的功能性。

4.創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域拓展

柔性陶瓷前驅(qū)體可在生物醫(yī)學(xué)與電子器件中得到廣泛應(yīng)用。如牙科植入物和骨骼替代物僅具備陶瓷材料的生物相容性，還可根據(jù)患者的具體需求進(jìn)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(shí)具備高精度和特定的電學(xué)性能。

總體來(lái)說(shuō)，3D打印與柔性陶瓷前驅(qū)體的結(jié)合為制造復(fù)雜、高性能陶瓷部件提供了新的途徑，推動(dòng)了材料科學(xué)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(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

3D打印柔性水凝膠前驅(qū)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不僅為現(xiàn)有陶瓷產(chǎn)品提供了新的制造方法，還將推動(dòng)陶瓷材料在更多新興領(lǐng)域中的應(yīng)用。這一技術(shù)的發(fā)展將依賴于多學(xué)科合作的創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)的規(guī)?；茝V和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。