香港城市大学吕坚院士团队突破4D打印技术-实现形状记忆陶瓷的高效制造

香港城市大学吕坚院士的研究团队在4D打印领域取得了重大突破，成功实现了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷。这一研究成果于2023年7月30日发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，论文题目为“4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics”，第一作者为刘果博士，通讯作者为吕坚院士。

传统陶瓷材料由于熔点高、难以变形等特点，其制造过程一直受到限制。而现有的3D打印陶瓷前驱体通常也难以满足复杂形状陶瓷的生产需求。为了解决这些问题，吕坚院士团队提出了4D增减材复合制造的新范式，实现了陶瓷的一步式变形变质4D打印，兼具高2D/3D/4D精度、高效率及大尺寸等特点。

该研究团队受中国传统陶艺启发，利用陶瓷前驱体材料的易加工性，集成了陶瓷4D打印系统与减材制造、异质工程、表面工程等技术，突破了先前4D打印陶瓷技术的局限性。他们研发了具有初始/反向、整体/局部多模式形状记忆功能的宏观尺寸形状记忆陶瓷，并提升了所打印复杂网格轻质结构SiOC基陶瓷材料的火焰烧蚀性能。

研究亮点包括：

1. 4D增减材复合制造陶瓷：该技术突破了陶瓷打印领域高3D结构精度与大尺寸不可兼得的难题，实现了批量化高速高精4D打印陶瓷，单个样品的制备有望控制在一分钟内。十厘米级陶瓷的最小特征尺寸可达十微米级。
2. 4D打印大尺寸形状记忆陶瓷：研发了4D打印形状记忆陶瓷技术，填补了大尺寸形状记忆陶瓷、4D打印形状记忆陶瓷两项研究的国际空白。通过4D打印全陶瓷叶盘模型验证了高4D变形精度、大尺寸、复杂结构形状记忆陶瓷材料制备的可行性。
3. 2D/3D/4D前驱体抛光技术：研发了基于高能束或机械研磨的抛光技术，改善了3D/4D打印领域普遍存在的台阶效应，为高2D表面质量、复杂形状陶瓷材料的制备提供了新思路。在全陶瓷叶盘模型示范中，曲面陶瓷叶片的表面粗糙度显著降低。
4. 复杂网格轻质结构陶瓷材料热性能：探究了原子层沉积（ALD）技术对3D/4D打印复杂网格轻质结构SiOC基陶瓷材料火焰烧蚀性能的提升作用机制，拓展了复杂结构SiOC基陶瓷材料的高温应用前景。

这一研究成果有望拓展高温结构材料在航空航天、3C电子、生物医疗和艺术等领域的应用，为4D打印技术的发展开辟了新的道路。同时，该研究也体现了中国传统陶艺与现代科技的完美结合，展现了科技创新的无限可能。