呂堅教授指4D打印具多方面優勢。受訪者供圖
獲美4項專利
香港文匯報訊（記者 劉凝哲）香港城市大學呂堅教授團隊近期在材料研究方面取得突破性進展，實現全球首次陶瓷4D打印，並提出「3D打印彈性體-自變形-陶瓷化」的4D打印陶瓷概念。這種新型材料，不僅非常堅固，而且可以打印出複雜形狀，在3C產品、航天器零部件特別是航空發動機製造等方面，擁有很大應用潛力。呂堅教授的研究成果日前發表在Science Advances上，並獲得4項美國專利，被業界認為或將開啟陶瓷結構應用的新篇章。
隨着現代科技的發展，陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分，是許多高技術領域發展的重要關鍵材料，尤其受到各工業發達國家的關注，其發展在很大程度上也影響着其他工業的發展和進步。
呂堅教授在接受香港文匯報訪問時表示，在過去數十年研究增材製造、3D打印的基礎上，他率領團隊進行陶瓷材料研究。在國家自然科學基金委等機構的支持下，呂堅通過兩年半的努力，在全球首次實現陶瓷4D打印。
研特製墨水 儲彈性能量
呂堅表示，陶瓷的熔點很高，常規的激光打印技術製造陶瓷非常困難，而現有的3D打印技術製造的陶瓷前驅體通常難以變形，影響了複雜形狀陶瓷製品的生產。為此，呂堅團隊研製出由某種聚合物和陶瓷納米粒子混合而成的「陶瓷墨水」。使用這種「墨水」的3D打印陶瓷前驅體非常柔軟，令陶瓷4D打印成為可能。
他續說：「4D打印，一般是指在3D打印的基礎上增加一個時間維度，使得在熱、水、磁場等一定刺激下，4D打印的物體可以隨時間推移變形或自我重塑。」
呂堅表示，其研究團隊共研究出兩套陶瓷4D打印的方法。利用受到拉伸的陶瓷前驅體中所儲存的彈性能量來進行變形，當拉伸過的陶瓷前驅體被釋放時，他們就會自我重整，經過加熱處理後，前驅體變成陶瓷製品。
呂堅介紹，4D打印出的陶瓷產品，具有多方面優勢。首先，當需要製造一系列相似形狀的陶瓷時，4D打印只需要相對簡單的圖紙設計，就可衍生出一系列形狀相似且連續可變的結構，而傳統3D打印只能一張圖紙對應一個結構。4D打印陶瓷將十分高效，尤其是在定製設計上。
可實現複雜陶瓷結構
此外，呂堅團隊研究提出的「3D 打印彈性體-自變形-陶瓷化」的4D打印陶瓷的概念，可有更廣泛的變體和應用，譬如引入形狀記憶變形等，令4D打印方法上的多樣性，為設計製造用其他方法很難實現的複雜陶瓷結構提供巨大的自由度。同時，作為陶瓷前驅體的彈性體具有強變形能力，可提高結構材料適應複雜應用環境的能力。陶瓷結構具有很高的比強度，並且可以兼具高強度和大尺度。
