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【科普中國】水凝膠3D打印新突破！“以柔制剛”實(shí)現復雜結構陶瓷
粘土和水后柔軟可塑，可捏制、雕刻、塑形，再經(jīng)過(guò)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(guò)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雜形狀的難題。
那么，我們如何制造這種“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)性能使陶瓷成為制造許多日用品的材料。
其實(shí)，除了做成家用的鍋碗瓢盆之外，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的陶瓷材料（樹(shù)脂基陶瓷前驅體）在更多“高大上”場(chǎng)景中的應用。
首先，傳統陶瓷材料難以制造出復雜的形狀，尤其是在制造復雜幾何形狀和內嵌結構時(shí)存在明顯困難，這是因為陶瓷材料通過(guò)模壓、注漿成型和擠壓等方法加工，且還需經(jīng)過(guò)高溫燒結才能獲得最終的機械性能，這一過(guò)程往往導致材料的收縮和變形，從而限制了復雜結構的精確制造。
第二，傳統陶瓷加工方法在制造高精度部件時(shí)，尺寸控制較為困難，特別是對于微小尺寸的部件。由于材料收縮和燒結過(guò)程中的不可控因素，難以實(shí)現高精度制造，而且傳統陶瓷燒結后往往需要進(jìn)行二次加工（如研磨和拋光），這也大大增加了生產(chǎn)成本和過(guò)程復雜性。
此外，在傳統制備過(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(zhù)降低材料的機械性能和可靠性，尤其在高精度、高強度的應用場(chǎng)景下，這些缺陷是不可接受的。
陶瓷制品。圖片來(lái)源：圖蟲(chóng)創(chuàng )意
為此，科學(xué)家們開(kāi)始思考，能否開(kāi)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？
“剛柔并濟”：陶瓷加入水凝膠
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，又希望它在成型后像陶瓷一樣堅硬耐用。顯然，現有的材料很難滿(mǎn)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(guò)程中展現出多樣化的性能。那么，能不能使陶瓷結合這種材料特性，像剪紙一樣“裁”成我們需要的形狀呢？
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗室團隊一直從事3D打印水凝膠和陶瓷材料的研究工作，研究團隊想結合這兩種截然不同的材料，借助水凝膠的柔性，經(jīng)過(guò)相變實(shí)現陶瓷硬度，進(jìn)而達到“以柔制剛”的理想效果。
然而，問(wèn)題很快就顯現出來(lái)，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定的結構，且存在較大的尺寸收縮和結構開(kāi)裂問(wèn)題。
為了能將這兩種材料更好地結合，團隊想到一個(gè)基本方法，來(lái)自之前發(fā)表過(guò)的一項研究成果——利用水性無(wú)機粘結劑制造低溫燒結和超低收縮陶瓷。團隊嘗試將水凝膠單體溶解到這種水性無(wú)機粘結劑中，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，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，可以制造出一種超低收縮的陶瓷，并且沒(méi)有開(kāi)裂現象。這意味著(zhù)，“神奇泥土”——柔性水凝膠陶瓷前驅體，已成功研制！
光固化3D打印水凝膠柔性前驅體輔助制造復雜陶瓷結構的方案。
圖片來(lái)源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
水凝膠前驅體的制備過(guò)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)，還可作為陶瓷粘結劑。
這一研究成功結合了“柔”與“剛”，也為材料科學(xué)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，而是可以有機結合多種特性，實(shí)現更加復雜和廣泛的應用。
3D打印陶瓷：從平面到立體
想讓陶瓷得到更廣泛的應用，除了解決塑形問(wèn)題，還得考慮怎么讓“神奇泥土”變得堅硬，這時(shí)，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(guò)逐層打印的方式構造實(shí)體零件。如果能將該技術(shù)與柔性水凝膠陶瓷前驅體結合，就能夠打造出結構更加復雜的產(chǎn)品或器件，使其適用于更多的應用場(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、低溫脫脂和高溫燒結等步驟，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構。
這項技術(shù)在材料科學(xué)和制造技術(shù)上實(shí)現了三維復雜結構器件制造的重要突破，推動(dòng)了新型陶瓷材料在多個(gè)領(lǐng)域的應用。
在醫學(xué)領(lǐng)域，柔性水凝膠陶瓷前驅體可用于制造與患者解剖結構完全匹配的植入物，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(gè)性化制造出陶瓷結構，實(shí)現對骨缺陷部位的修復。
在航天領(lǐng)域，可以與其他功能性材料復合，制造復雜的航空航天結構件。陶瓷材料的高導熱性和耐熱性使其成為理想的散熱材料，結合這項技術(shù)能夠制造出設計精確的散熱片，提升電子產(chǎn)品性能，例如電子元件的制作。此外，還可以結合表面改性策略，制備具有優(yōu)良催化活性和穩定性的復雜結構催化陶瓷器件……
水凝膠柔性前驅體輔助制造的無(wú)支撐、大跨度復雜結構陶瓷器件。
圖片來(lái)源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
3D打印柔性水凝膠前驅體：突破局限
柔性水凝膠陶瓷前驅體與3D打印技術(shù)的結合，突破了傳統硬質(zhì)或脆性陶瓷前驅體制造復雜陶瓷結構的局限，具有許多優(yōu)勢：
1．?設計更自由，功能更復雜
由于柔性陶瓷前驅體在固化前具有一定的柔性，允許人們對其進(jìn)行更復雜的設計和功能集成，如內部通道、蜂窩結構或多材料組合。3D打印可在保持高精度的同時(shí)，實(shí)現復雜的、定制化的陶瓷結構。
2．?材料性能和結構得到優(yōu)化
柔性陶瓷前驅體可以在成形過(guò)程中保持一定的韌性，這減少了裂紋和缺陷的產(chǎn)生，并在最終燒結后的陶瓷材料中實(shí)現了高強度和高韌性的優(yōu)異性能。通過(guò)調整3D打印和柔性陶瓷前驅體的組合，研究人員可精確控制材料的燒結過(guò)程，從而達到優(yōu)化材料微觀(guān)結構和性能的目的。
3．?創(chuàng )新制造工藝與設計方法
結合智能材料概念，柔性陶瓷前驅體可在3D打印過(guò)程中展現出特定條件下的可編程特性，使最終的陶瓷產(chǎn)品具有更廣泛的應用可能性；結合3D打印技術(shù)，柔性陶瓷前驅體可以與其他材料一起打印，形成多材料復合結構，在一個(gè)組件中就能結合陶瓷材料的優(yōu)良性能和其他材料的功能性特點(diǎn)。
4．?應用領(lǐng)域得到創(chuàng )新拓展
柔性陶瓷前驅體可在生物醫學(xué)領(lǐng)域與電子器件產(chǎn)品中得到廣泛應用，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，可根據患者的具體需求進(jìn)行定制；3D打印與柔性陶瓷前驅體的結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體的結合，為制造結構復雜的高性能陶瓷部件提供了新途徑，推動(dòng)了材料科學(xué)和制造技術(shù)的前沿發(fā)展。
新型陶瓷結構在立體電路、生物醫用及功能催化領(lǐng)域的應用。
圖片來(lái)源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
3D打印柔性水凝膠前驅體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不僅為現有的陶瓷產(chǎn)品提供了新的制造方法，還推動(dòng)了陶瓷材料在更多新興領(lǐng)域中的應用。這一技術(shù)發(fā)展在多學(xué)科合作創(chuàng )新的基礎上，才能最終實(shí)現技術(shù)的規?；茝V和產(chǎn)業(yè)化應用。
