今天小編分享的科學經驗：水凝膠3D打印新突破！“以柔制剛”實現復雜結構陶瓷，歡迎閱讀。
粘土和水後柔軟可塑，可捏制、雕刻、塑形，再經過特殊的幹燥和燒制工藝，從可塑狀态最終變成堅硬、耐用的陶器或雕塑品，最後通過一種特殊的 " 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雜形狀的難題。
那麼，我們如何制造這種 " 神奇泥土 "，又能用什麼方式将它 " 烘幹 " 呢？
陶瓷變 " 柔軟 "，就能 " 高大上 "
我們知道，陶瓷材料具有優異的高溫穩定性、耐腐蝕性、抗磨損性和良好的電絕緣性，這種優異的物理和化學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，優點多多的陶瓷完全可以在更多領網域發揮作用，但太硬、太脆的特性限制了傳統的陶瓷材料（樹脂基陶瓷前驅體）在更多 " 高大上 " 場景中的應用。
首先，傳統陶瓷材料難以制造出復雜的形狀，尤其是在制造復雜幾何形狀和内嵌結構時存在明顯困難，這是因為陶瓷材料通過模壓、注漿成型和擠壓等方法加工，且還需經過高溫燒結才能獲得最終的機械性能，這一過程往往導致材料的收縮和變形，從而限制了復雜結構的精确制造。
第二，傳統陶瓷加工方法在制造高精度部件時，尺寸控制較為困難，特别是對于微小尺寸的部件。由于材料收縮和燒結過程中的不可控因素，難以實現高精度制造，而且傳統陶瓷燒結後往往需要進行二次加工（如研磨和抛光），這也大大增加了生產成本和過程復雜性。
此外，在傳統制備過程中，陶瓷材料還容易產生裂紋、氣孔和其他缺陷，這些缺陷會顯著降低材料的機械性能和可靠性，尤其在高精度、高強度的應用場景下，這些缺陷是不可接受的。
陶瓷制品。圖片來源：圖蟲創意
為此，科學家們開始思考，能否開發出一種在特定環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揮作用呢？
" 剛柔并濟 "：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，又希望它在成型後像陶瓷一樣堅硬耐用。顯然，現有的材料很難滿足這樣矛盾的要求。
受剪紙藝術以及智能材料的啟發，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出多樣化的性能。那麼，能不能使陶瓷結合這種材料特性，像剪紙一樣 " 裁 " 成我們需要的形狀呢？
中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室團隊一直從事 3D 打印水凝膠和陶瓷材料的研究工作，研究團隊想結合這兩種截然不同的材料，借助水凝膠的柔性，經過相變實現陶瓷硬度，進而達到 " 以柔制剛 " 的理想效果。
然而，問題很快就顯現出來，水凝膠和陶瓷的物理性質差異巨大，材料很難在成型後保持穩定的結構，且存在較大的尺寸收縮和結構開裂問題。
為了能将這兩種材料更好地結合，團隊想到一個基本方法，來自之前發表過的一項研究成果——利用水性無機粘結劑制造低溫燒結和超低收縮陶瓷。團隊嘗試将水凝膠單體溶解到這種水性無機粘結劑中，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。
研究團隊發現，這種材料經過光固化後，再依次經過幹燥、脫脂和燒結，可以制造出一種超低收縮的陶瓷，并且沒有開裂現象。這意味着，" 神奇泥土 " ——柔性水凝膠陶瓷前驅體，已成功研制！
光固化 3D 打印水凝膠柔性前驅體輔助制造復雜陶瓷結構的方案。
圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
水凝膠前驅體的制備過程
以磷酸二氫鋁溶膠為分散介質，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。
将丙烯酰胺和丙烯酸等這樣的水凝膠單體、水溶性的引發劑 LAP、氧化鋁和羟基磷灰石等納米陶瓷粉體與該團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異的光固化性能，磷酸二氫鋁溶膠不僅作為分散介質，還可作為陶瓷粘結劑。
這一研究成功結合了 " 柔 " 與 " 剛 "，也為材料科學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，而是可以有機結合多種特性，實現更加復雜和廣泛的應用。
3D 打印陶瓷：從平面到立體
想讓陶瓷得到更廣泛的應用，除了解決塑形問題，還得考慮怎麼讓 " 神奇泥土 " 變得堅硬，這時，研究人員想到了 3D 打印技術。
3D 打印技術能夠運用一些可粘合材料，通過逐層打印的方式構造實體零件。如果能将該技術與柔性水凝膠陶瓷前驅體結合，就能夠打造出結構更加復雜的產品或器件，使其适用于更多的應用場景。
具體來說，我們可以先利用光固化 3D 打印技術獲得具有優異延展性、形狀适應性和抗疲勞性的水凝膠柔性骨架，再經過脫水幹燥、低溫脫脂和高溫燒結等步驟，使其質地變得堅硬，形成超低收縮、高陶瓷產率和形狀保真度的陶瓷結構。
這項技術在材料科學和制造技術上實現了三維復雜結構器件制造的重要突破，推動了新型陶瓷材料在多個領網域的應用。
在醫學領網域，柔性水凝膠陶瓷前驅體可用于制造與患者解剖結構完全匹配的植入物，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構，實現對骨缺陷部位的修復。
在航天領網域，可以與其他功能性材料復合，制造復雜的航空航天結構件。陶瓷材料的高導熱性和耐熱性使其成為理想的散熱材料，結合這項技術能夠制造出設計精确的散熱片，提升電子產品性能，例如電子元件的制作。此外，還可以結合表面改性策略，制備具有優良催化活性和穩定性的復雜結構催化陶瓷器件……
水凝膠柔性前驅體輔助制造的無支撐、大跨度復雜結構陶瓷器件。
3D 打印柔性水凝膠前驅體：突破局限
柔性水凝膠陶瓷前驅體與 3D 打印技術的結合，突破了傳統硬質或脆性陶瓷前驅體制造復雜陶瓷結構的局限，具有許多優勢：
1
設計更自由，功能更復雜
由于柔性陶瓷前驅體在固化前具有一定的柔性，允許人們對其進行更復雜的設計和功能集成，如内部通道、蜂窩結構或多材料組合。3D 打印可在保持高精度的同時，實現復雜的、定制化的陶瓷結構。
2
材料性能和結構得到優化
柔性陶瓷前驅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生，并在最終燒結後的陶瓷材料中實現了高強度和高韌性的優異性能。通過調整 3D 打印和柔性陶瓷前驅體的組合，研究人員可精确控制材料的燒結過程，從而達到優化材料微觀結構和性能的目的。
3
創新制造工藝與設計方法
結合智能材料概念，柔性陶瓷前驅體可在 3D 打印過程中展現出特定條件下的可編程特性，使最終的陶瓷產品具有更廣泛的應用可能性；結合 3D 打印技術，柔性陶瓷前驅體可以與其他材料一起打印，形成多材料復合結構，在一個組件中就能結合陶瓷材料的優良性能和其他材料的功能性特點。
4
應用領網域得到創新拓展
柔性陶瓷前驅體可在生物醫學領網域與電子器件產品中得到廣泛應用，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，可根據患者的具體需求進行定制；3D 打印與柔性陶瓷前驅體的結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性能。
總體來說，3D 打印與柔性陶瓷前驅體的結合，為制造結構復雜的高性能陶瓷部件提供了新途徑，推動了材料科學和制造技術的前沿發展。
新型陶瓷結構在立體電路、生物醫用及功能催化領網域的應用。
3D 打印柔性水凝膠前驅體技術的進一步發展，不僅為現有的陶瓷產品提供了新的制造方法，還推動了陶瓷材料在更多新興領網域中的應用。這一技術發展在多學科合作創新的基礎上，才能最終實現技術的規模化推廣和產業化應用。
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨劉德勝 王曉龍 中國科學院蘭州化學物理研究所
監制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來 林林
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