专栏名称: DeepTech深科技

“DeepTech深科技”是与麻省理工科技评论官方独家合作的一个新科技内容品牌。我们专注于关注三个方面：1、基于科学的发现；2、真正的科技创新；3、深科技应用的创新。

科学家实现4D增减材复合制造陶瓷，有望用于航空航天、3C电子等领域

DeepTech深科技 · 公众号 · · 2024-07-16 15:19

正文

近期，香港城市大学吕坚院士团队，围绕 4D 增减材复合制造陶瓷这一新工艺，分别采用单材料打印和多材料打印的方式制备异质前驱体，并且分别以热膨胀主导和热收缩主导的变形机制，实现一步式变形变质 4D 打印陶瓷。刘果博士为该研究的第一作者，目前是中国科学技术大学特任研究员。

图丨刘果（来源：刘果）

他们所开发的 4D 增减材复合制造陶瓷技术，能够实现高精度（10 微米级）、尺寸（10 厘米级）、超快的前驱体转变为陶瓷的速度（几秒钟内），以及前驱体材料的快速制造（逐面打印），有效地推动了陶瓷 4D 打印技术的潜在应用发展。

图丨视频 1：热膨胀主导的一步式变形变质 4D 打印陶瓷（来源：Advanced Materials）

图丨视频 2：热收缩主导的一步式变形变质 4D 打印陶瓷（来源：Journal of Materials Science and Technology）

从应用上看，该成果有望用于航空航天领域的全陶瓷整体涡轮叶盘、可变形热防护系统、太空折叠系统；计算机、通讯和消费电子领域的可折叠陶瓷手机背板、微机电系统；生物医疗领域的生物植入物；以及艺术领域的文物研究和修复、首饰和装饰品等具体场景。

图丨4D 增减材复合制造陶瓷技术的应用展望（来源：Advanced Materials）

近日，前一项成果（视频 1）以《4D 增减材复合制造形状记忆陶瓷》（4D Additive–Subtractive Manufacturing of Shape Memory Ceramics）为题在 Advanced Materials 上发表[1]。

刘果是第一作者，香港城市大学吕坚院士担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Advanced Materials）

后一项成果（视频 2）以《3D/4D 增减材复合制造异质陶瓷》（3D/4D additive–subtractive manufacturing of heterogeneous ceramics）为题在 Journal of Materials Science and Technology 上发表[2]。

刘果、香港城市大学博士研究生鲁馨雅和博士后张小锋是共同第一作者，吕坚院士担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Journal of Materials Science and Technology）

值得一提的是，该姊妹篇分别被上述两本期刊选为封底和封面。

（来源：Advanced Materials & Journal of Materials Science and Technology）

据介绍，刘果于 2009 年考入中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，学习机械设计制造及其自动化专业。

2013 年本科毕业后赴港读博，师从吕坚院士，开辟了陶瓷 4D 打印的新领域。

2018 年博士毕业后，他继续在吕院士的指导下从事该领域的系列研究，致力于装备研发及产业化探索。

而上述姊妹篇论文所涉及的研究，正是为了克服该课题组于 2018 年发表在 Science Advances 上的 4D 打印陶瓷成果的诸多局限性而开展的。

他们探究了基于异质前驱体材料及非接触式激励的一步式变形变质 4D 打印陶瓷机制，提出了兼具高 4D 变形精度/3D 结构精度/2D 表面质量、大尺寸、高效率的 4D 增减材复合制造陶瓷新范式。

同时，还发展了变形可控的异质陶瓷的 4D 打印及保形异质陶瓷的 3D 打印。

基于此，他们也获得了 4D 打印形状记忆陶瓷及宏观尺度形状记忆陶瓷，并改善了轻质复杂结构陶瓷的高温性能。

“这一系列成果实现了陶瓷 4D 打印领域在 4D 打印弹性体衍生陶瓷这一新材料、4D 增减材复合制造陶瓷这一新工艺，以及 4D 打印形状记忆陶瓷这一新功能上的发展。”刘果说。

图丨陶瓷 4D 打印在新材料、新工艺、新功能上的发展体系（来源：Additive Manufacturing Frontiers）

回顾上述研究开展的全过程，刘果表示：“从定下课题到研究成功，我们主要经历了三个阶段，分别是‘见山是山’、‘见山不是山’和‘见山还是山’。”

“见山是山”是指，做研究就像登山一样，一开始会制定好一个研究计划/登山线路。

该团队最初希望通过使用激光局部加热陶瓷前驱体材料，来实现局部陶瓷化，并对自己的实验拥有非常清晰的预期和信心。

“见山不是山”是指，随着研究的深入，他们因遇到一些意想不到的挫折而陷入迷茫和怀疑，就像沿着在山脚看到的行山线路前进，却在半道发现此路疑似不通一样。

这些挫折包括，经过很多次试验也无法实现局部陶瓷化，由激光处理过的那些位置的前驱体材料，始终不能完美地转变为比较坚硬的陶瓷材料，而是会形成类似于烧过的煤球那样的疏松结构。

“见山还是山”是指，换个角度看待眼前这个“失败”的样品，或是这条“不通”的山径，反而有机会发现意想不到的风景。

比如，当刘果怀着一丝失望的心情收拾实验、清理样品时，发现用酒精纸擦拭干净后的局部陶瓷化“失败”样品表面，形成了非常清晰的正方形轮廓。

该轮廓的精度及轮廓内部表面的平整度，明显超过直接通过 3D 打印所得到的前驱体材料的结构精度。

因此，该课题组决定转换思路，利用这种所谓的“失败”，进行 3D 打印前驱体材料表面精细结构的雕刻、表面台阶效应的抛光，以及 3D 打印前驱体材料复杂结构的切割。

最终，他们实现传统陶瓷增材制造工艺不能达到的高形状复杂度、高 3D 结构精度、高 2D 表面质量及高效率。

不仅如此，研究人员将这种前驱体材料的 4D 打印功能与该增减材复合制造工艺相结合，还可以实现先前陶瓷 4D 打印技术无法达到的高 4D 变形精度，进而发展出 4D 增减材复合制造陶瓷这一新进展。

“恰似曲径通幽，结果虽然与预想不同，过程却是同样有趣，甚至更显惊喜。整个过程得以走通的关键是我的导师吕坚院士平常身体力行教导我们的两点科研思想：1. 要勇于探索新的方向，不做 me too 式的研究；2. 要积极对待‘不好’或者‘失败’的实验数据，善于从中挖到创新的宝藏。”刘果说。

图丨刘果与恩师吕坚院士合影（来源：刘果）

回顾从 2013 年跟随吕老师读博到如今这一路的研究历程，刘果表示吕老师的这两点科研思想对他影响十分深刻，譬如他在博士阶段发表的第一个陶瓷 4D 打印工作，其研究历程也是完美印证了上述三个“见山”阶段。

当时最初刘果做的课题是当时比较热门的纳米陶瓷填充物对硅基高分子复合材料的热解温度的影响，但热解温度的提升效果却迟迟无法达到预期。

而当他们收拾实验时，发现坩埚里本无大用的样品残留物中，有一些竟然可以保持其在经历热重分析仪测试之前的形状，而且质地非常坚硬。

“吕老师敏锐地意识到这是一个很有前景的方向，就让我把注意力集中在纳米陶瓷填充物对硅基高分子复合材料的热解陶瓷化效果的影响，并尝试采用系里当时还少有人用的 3D 打印机，来解决该复合材料的打印成型问题。”刘果表示。

在吕院士的指导和鼓励下，刘果最终于答辩前夕完成了这项与当初课题设计相去甚远却更具创新性的成果。

“我们在论文被 Nature 和 Science 双送审的过程中，获得了宝贵的审稿意见。最终这篇论文被 Science 杂志推荐到其子刊 Science Advances 发表。”刘果说。

有趣的是，该系列研究也受到了中国传统文化的启发，譬如陶艺、拓片、书法、折纸、剪纸等。

图丨传统文化经典在该研究中的体现选摘（来源：Advanced Materials）

刘果表示，自己从小就对传统文化有着浓厚的兴趣。来到香港求学后，发现这座国际化都市对传统文化的尊重和传承远超预期。

“最令我意想不到的是，我们现在习以为常的传统节日端午、中秋及清明节法定假期，是由香港理工大学荣休校长潘宗光教授于 2004 年同另外两位政协委员提出的议案。”他说。

在潘教授的影响下，刘果也有意地在自己的研究中积极汲取中国传统文化经典中的精华，并从中获得了诸多乐趣。

图丨刘果携手书藏头小诗与潘宗光教授合影（来源：刘果）

面向未来，他计划继续开展该方向的尝试，包括将该研究成果应用到重要文物研究及修复中，以促进现代科技探索与传统文化传承更好地融合在一起。

而在经历十余年的境外学习工作以后，在中国科学院人才引进项目的支持下，刘果已于 2024 年 3 月中旬回到母校中国科学技术大学近代力学系工作，加盟由张忠教授领导的中国科学院材料力学行为和设计重点实验室“微纳米复合材料”研究所。

基于此前在陶瓷 4D 打印领域新材料、新工艺、新功能上的进展，他也正在进行该领域新装备、新性能、新设计的研发。

目前，刘果在吕坚院士的指导和支持下已经完成一款全新的面向大尺寸复杂结构陶瓷材料的高速高精多材料 3D/4D 打印装备，同时也正着力通过新性能、新设计等方式，来解决该领域在应用上的一些痛点。

参考资料：

1.Guo Liu et al. Jian Lu*. 4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics, Advanced Materials. 35, 39, 2302108, 2023. (Back Cover Paper) https://doi.org/10.1002/adma.202302108

2.Guo Liu1, Xinya Lu1, Xiaofeng Zhang1 et al. Jian Lu*. 3D/4D additive–subtractive manufacturing of heterogeneous ceramics, Journal of Materials Science and Technology. 201, 210-221, 2024. (Cover Paper) https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.02.069

3.Guo Liu et al. Jian Lu*. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures, Science Advances. 4, 8, eaat0641, 2018.

https://doi.org/10.1126/sciadv.aat0641

4.Xinya Lu1, Guo Liu1, Jian Lu*. Development of ceramic 3D/4D printing in China, Additive Manufacturing Frontiers. 200158, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200158

运营/排版：何晨龙

01/ 南科大团队打造“自给自足”式量子冰箱，能为量子比特实现降温，降低量子计算机出错率

02/ 港城大团队开发新型纳米层状膜，可用于特殊场景的淡水处理，为二维材料应用寻找突破口

03/ 数十年化学难题给出可信解答，科学家提出氯化氢溶解形成盐酸微观新机理，将推动多个学科的发展

04/ 科学家打造量子传感操控新方法，能准确检测微弱信号，可用于探测和操控单个核自旋

05/ 《麻省理工科技评论》新一届“35岁以下科技创新35人”中国区入选者正式发布！在上海见证科技青年的创新力量