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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(xué)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?zé)Y(jié)才能獲得最終的機(jī)械性能，這一過程往往導(dǎo)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(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(jī)械性能和可靠性，尤其在高精度、高強(qiáng)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(xué)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?jì)”：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(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(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點實驗室團(tuán)隊一直從事3D打印水凝膠和陶瓷材料的研究工作，研究團(tuán)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(jìn)而達(dá)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(tuán)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(jī)粘結(jié)劑制造低溫?zé)Y(jié)和超低收縮陶瓷。團(tuán)隊嘗試將水凝膠單體溶解到這種水性無機(jī)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(tuán)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(xué)院蘭州化學(xué)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(tuán)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(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(xiàn)，而是可以有機(jī)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(yùn)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?zé)Y(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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)院蘭州化學(xué)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(jìn)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(qiáng)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(dá)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(xué)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(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，這些器件需要同時具備高精度和特定的電學(xué)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(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(qū)體技術(shù)的進(jìn)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(xué)科合作創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，才能最終實現(xiàn)技術(shù)的規(guī)?；茝V和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
