香港城市大学吕坚团队：陶瓷4D及其在3C产业中的应用

南极熊导读：本文深度介绍了香港城市大学吕坚院士团队的陶瓷4D打印技术，4D打印陶瓷力学性能，不仅密度高，并且还有非常高的抗压强度，它相当于是在3D打印陶瓷结构可以承受两个特斯拉汽车的重量，并且希望做到未来的趋势是手机可以折叠之后揣兜里，做到可折叠的性能。

2018年11月27-28日，2018增材制造全球创新大赛在北京丰台举行，南极熊发现了不少非常好的3D打印项目。例如香港城市大学吕坚院士团队——陶瓷4D及其在3C产业中的应用。

陶瓷4D及其在3C产业中的应用

——吴戈（香港城市大学机械与生物医学工程系吕坚院士团队）

研究背景

研究基于3D打印，3D打印陶瓷基本上有两种模式，一种使用3D激光光刻技术和原子层沉积技术进行，尺寸比较小，大概是几百微米到一毫米的尺寸。还有一种是3D打印大尺寸陶瓷，一般首先是打印一个前去体，再使用激光收集的方法进行3D打印。这两种技术有非常大的难点：陶瓷熔点非常高，不能轻易铸造或者制成复杂形状。3D激光光刻和原子层沉积法受限于打印速度与尺寸，价格昂贵。激光烧结法制造的陶瓷有孔隙和裂纹，影响机械性能。

第一个发明，3D打印陶瓷，使用这样一种方法，首先是墨水直接打印一个前驱体，在真空中加热得到了一级陶瓷，之后在空气中加热得到二级陶瓷。我们这个发明基于研究组在自然文章中报道超纳结构，是纳米晶和非晶符合结构，在文章中研究，正因为符合结构能够使材料有一个非常高的强度，所以我们在3D打印陶瓷当中也发明了一种非晶和纳米晶的复合结构，使得我们的3D打印陶瓷具有一个非常高的强度。

这是纳米晶和非晶图，纳米晶有一个比较好的晶格结构。右边是利学性能测试，可以看到3D打印陶瓷前驱体有一个非常好的力学性能，它具有非常高的弹性。烧结之后，具有一个非常高的强度。

第二个发明是打印陶瓷折纸结构，3D打印弹性体，使用金属丝让它预变形，可以折叠成很多复杂形状，之后在氩气气氛中加热，可以得到陶瓷结构，在硝酸中把金属丝溶解掉，之后可以得到复杂的陶瓷3D结构，这是3D打印陶瓷折纸结构。

第三个发明就是4D打印陶瓷，可以通过控制一个预应力，控制3D打印前驱体的形状，在预拉伸3D打印陶瓷前驱体上，再进行第二次3D打印，把预拉伸预应力释放掉，得到另外一种复杂形状3D打印结构。像这个动画演示一样，在预拉伸前驱体上进行第二次3D打印，最后释放预应力之后得到复杂3D形状，在复杂3D形状进行再次加热使得陶瓷化，得到了4D打印陶瓷。下面是有限元仿真结构。

可以通过X轴应变和Y轴应变，控制复杂形状变型程度，得到各种不同类型的4D打印形状。

优势

此方法不需要3D光刻法所需要昂贵激光和紫外光能源，也不需要陶瓷粉末烧结所需要朝高温度。

下面是4D打印陶瓷的一些形状。我们认为4D打印陶瓷有一个非常好的应用，有可能应用在我航空航天领域，比如说人造卫星太阳能板，我们需要它具有一个伸缩的功能，3D打印前驱体本身就有一个非常好的变形能力，可以把3D打印前驱体作为太阳能板底板，当前驱体变形之后可以使用激光后的陶瓷化增强强度。

这是4D打印陶瓷力学性能，不仅密度高，并且还有非常高的抗压强度，它相当于是在3D打印陶瓷结构可以承受两个特斯拉汽车的重量。

应用前景

提出另外一种应用前景，可以应用在可折叠电子产品骨架上，这基于3D打印前驱体基于一个非常好的变形能力，可以在3D打印基板上可以交替使它陶瓷化，没有陶瓷化前驱体没有非常好的应变性能，陶瓷化前驱体有一个非常高的强度，这样可以使它具有一个折叠的性能。

4D打印陶瓷可以应用在飞机发动机的叶片上，可以打印的这种比较复杂的陶瓷叶片。陶瓷叶片还有一个非常耐高温并且热导流低的性能。有可能将这种原形结构和现有镍基高温合金进行复合，这三种是我们提出来的实施方案。

最后在3C产业方面的应用，它相比于3C产业当中塑料产品具有更高的品质，它的强度也非常高，相对于金属背板，陶瓷背板有非常好的信号传输性能，相对于玻璃材料有耐磨性能，质感会更好。

已经做出来在3C产品方面应用的实例。这项工作发表在国际顶级学习期刊上Science 上，申请了美国和中国专利，在媒体报道上的汇总，在人民日报、参考消息、新华社、美联社都有一些报道。

比赛获奖

团队主要成员是吕坚院士，他是法国国家技术科学院院士，现在是香港城市大学副校长。还有刘果博士、赵岩博士和我。这个工作受到国家自然科学基金委重大项目、大学教育资助委员会协作研究金计划、香港创新科技署、广东省科技技术厅、深圳市科技创新委员会的资助，谢谢大家！

专家点评

吴西镇：我想了解一下，从现实应用场景中，也是它未来的项目商业取向突破点，你们是怎么想的？未来在这方面，在应用端，应用场景选择上是怎么排的先后？

代表：首先是航空航天领域，第二是5C产业，主要是手机壳，陶瓷材料相比于金属材料信号传递功能更好，迎接5G时代的到来。

吴西镇：你们评价过譬如在陶瓷手机壳上面，目前工业化规模做的最大、最成熟应该是三环集团，是一个上市公司，像小米已经选择它的手机壳，确实在5G背景下，因为天线更多，陶瓷手机壳有特别的优势，但是你们比较过这种的工艺方式，跟三环集团制造工艺方式，在成本和规模上是什么样的区别？

代表：手机壳比较小的，我们有打印手机壳的样子，重点是可以弯曲，因为我们可以希望做到未来的趋势是手机可以折叠之后揣兜里，做到可折叠的性能。

吴西镇：你说的是欧莱德未来手机的应用。

代表：现在重点研究点是开发新材料，和创建了4D打印体系。因为这个文章是8月份刚刚发表，前期重点在科研上，在产业化是下一阶段研究的重点。

李雷：我想请教一下，一个好的高端技术，既要考虑技术迭代研发，市场应用和经营，我的问题和吴总问题相类似，下一步市场经营方面怎么考虑的？

代表：根据企业不同需求，进一步设计我们材料，表征我们的材料，对它性能优进一步改进，再跟企业合作。

李雷：目前有没有应用呢？

代表：现在暂时没有应用，还在实验室研发和发表文章。

李雷：目前对于这块有没有什么需求？

主持人：比如说研发阶段有资金和什么需要？李总有技术投入支持。

代表：企业的预期是怎么样的呢，对于3D打印陶瓷产品。

李雷：所有的研发考虑市场端，市场端一定是技术加团队下一步市场需求，比如说重点考虑手机相关配件和其他方面，一定要考虑1到2个重点领域，垂直专注并不是做大而全，所有的技术不是我们毕业论文，或者说毕业设计作品一定和市场接轨。

沈真：你讲了两个应用，一个是发动机，另外就是民用。像陶瓷叶片做过一些东西吗？

代表：现在有打印的叶片样品。

沈真：还没有到真正的应用，或者这些是你们的设想。

代表：我们也带来样品。

沈真：打出来的性能怎么样？考虑够不够？均匀性和质量。

代表：现在强度非常高，突破现有极限，547兆帕陶瓷小方块，可以盛2.7吨卡车重量。

沈真：脆性怎么样？

代表：脆性是下一步要测量的。

提问：我是一个牙科医生，新兴材料在医学里的应用，咱们这种材料生物性能怎么样？牙科现在实现了3D打印种植牙，有一个很好的效果，这种材料应用在植入上，有没有相关实验介绍一下。

代表：首先这个材料是生物兼容，烧结之后强度也是很高的，对材料进行改性之后加一些钛分，生物（HIC）类的陶瓷粉末，通过开发新的材料可以做到牙科上的应用，在骨缺损上的应用，这是我们即将研究的重点。

提问：有过相关实验研究吗？

代表：现在实验室还在做一些项目，加一些钛粉打印金属陶瓷复合物，在往这方面做。

提问：这个材料是可以折叠的，用到太空上太空板，折叠以后形状恢复是不是有记忆功能？

代表：是有形状记忆的功能，通过编程是有。

提问：恢复到设计形状，因为我们现在一直在寻找这种有记忆功能的材料，在医学上的应用，这个很重要。谢谢！