南(nan)方(fang)科(ke)技大學葛锜(锜)/西安(an)交(jiao)通大學原(yuan)超團隊(dui)：陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印研究(jiu)最新(xin)進(jin)展(zhan)

4D打(da)印是(shi)壹種(zhong)基於3D打(da)印發展的(de)新(xin)型制造(zao)技(ji)術(shu)。相比3D打(da)印，4D打(da)印將(jiang)智(zhi)能(neng)材(cai)料(liao)和(he)力(li)學設(she)計融(rong)入(ru)制造(zao)過(guo)程。因(yin)此(ci)在外(wai)界環(huan)境(jing)刺激（如(ru)光、熱(re)、電、磁等(deng)）下(xia)，4D打(da)印結(jie)構(gou)可隨時間(jian)產(chan)生(sheng)形(xing)狀(zhuang)或(huo)功能(neng)的(de)改(gai)變，在生(sheng)物(wu)醫療、航空(kong)航(hang)天等領域(yu)有(you)著廣(guang)闊的(de)應(ying)用前景(jing)。目(mu)前，實(shi)現4D打(da)印的(de)材(cai)料(liao)主要(yao)局限於水(shui)凝(ning)膠、形狀(zhuang)記憶聚合(he)物(wu)和(he)液(ye)晶彈性(xing)體(ti)等智能(neng)軟(ruan)材(cai)料(liao)，而對(dui)於陶(tao)瓷(ci)類材料的(de)4D打(da)印仍(reng)存在諸多技術(shu)瓶頸。現有(you)的(de)陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印主(zhu)要(yao)基於墨(mo)水(shui)直寫工藝，且(qie)需模(mo)具(ju)實(shi)現結(jie)構(gou)預編(bian)程，效(xiao)率(lv)和(he)精度有(you)待(dai)提(ti)高(gao)。數字光處(chu)理（DLP）技術(shu)是壹種(zhong)通過紫(zi)外(wai)光面(mian)投(tou)影成(cheng)型(xing)的(de)高(gao)精(jing)度3D打(da)印技(ji)術(shu)，但(dan)將(jiang)該技(ji)術(shu)用於陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印仍(reng)面臨(lin)以下(xia)幾個挑戰(zhan)：（i）缺乏(fa)具(ju)有(you)大變形能(neng)力(li)的(de)光固(gu)化(hua)陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)樹脂；（ii）缺乏(fa)與(yu)陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)樹脂匹(pi)配的(de)光固(gu)化(hua)驅動(dong)材(cai)料；（iii）缺乏(fa)可以壹體(ti)化(hua)成(cheng)型(xing)陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)-驅動(dong)材(cai)料的(de)多材料(liao)3D打(da)印技(ji)術(shu)和裝(zhuang)備(bei)。

2026年01月(yue)10日，南方(fang)科(ke)技大學機(ji)械與(yu)能(neng)源(yuan)工程系葛锜(锜)教授(shou)與(yu)西(xi)安(an)交(jiao)通大學原(yuan)超副教授(shou)研究(jiu)團隊(dui)提(ti)出了(le)壹種(zhong)簡單高(gao)效(xiao)的(de)陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印制(zhi)造(zao)方(fang)法和(he)設計策略。采用團隊(dui)自(zi)主(zhu)開發的(de)多材料(liao)光固(gu)化(hua)3D打(da)印設(she)備(bei)制造(zao)水(shui)凝膠(jiao)-陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)層合(he)結(jie)構(gou)，通過水(shui)凝(ning)膠失水(shui)驅動(dong)層(ceng)合(he)結(jie)構(gou)由平(ping)面圖(tu)案(an)演(yan)化(hua)為(wei)復雜(za)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)，在無需額外(wai)形狀(zhuang)編(bian)程的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)實現陶(tao)瓷(ci)結構(gou)的(de)直(zhi)接(jie)4D打(da)印。該研究(jiu)成果(guo)以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"為題，發表在《Nature Communications》期刊上(shang)。南(nan)方科(ke)技大學機(ji)械與(yu)能(neng)源(yuan)工程系研究(jiu)助理(li)教授(shou)王榮、西(xi)安(an)交(jiao)通大學副教授(shou)原(yuan)超和南(nan)方科(ke)技大學博士(shi)研究(jiu)生(sheng)程(cheng)健(jian)翔為(wei)論文(wen)共(gong)同(tong)第壹作(zuo)者(zhe)。西安(an)交(jiao)通大學原(yuan)超副教授(shou)和南(nan)方科(ke)技大學葛锜(锜)教授(shou)為論文(wen)共(gong)同(tong)通訊作(zuo)者。南(nan)方科(ke)技大學為論文(wen)第(di)壹單(dan)位(wei)。

圖(tu)1展(zhan)示(shi)了(le)陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印的(de)基本流程。采用南(nan)科(ke)大葛锜教授(shou)課題組(zu)自(zi)主(zhu)研發的(de)多材料(liao)光固(gu)化(hua)3D打(da)印設(she)備(bei)壹體(ti)化(hua)成(cheng)型(xing)界(jie)面(mian)牢(lao)固(gu)的(de)水(shui)凝(ning)膠-陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)層合(he)結(jie)構(gou)，通過水(shui)凝(ning)膠失水(shui)驅動(dong)平(ping)面圖(tu)案(an)演(yan)化(hua)為(wei)復雜(za)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)，進(jin)而利(li)用高(gao)溫(wen)脫(tuo)脂(zhi)和(he)燒(shao)結得到純(chun)陶(tao)瓷(ci)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)。

圖(tu)1. 陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印的(de)基本原(yuan)理(li)和流程。

圖(tu)2展(zhan)示(shi)了(le)研究(jiu)團隊(dui)為(wei)陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印開(kai)發出的(de)低粘度(du)光敏陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)漿料和丙(bing)烯酸水(shui)凝(ning)膠(jiao)前驅體(ti)。固(gu)化(hua)成(cheng)型(xing)的(de)陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)生(sheng)坯(pi)具(ju)有(you)大變形能(neng)力(li)，可承受(shou)高達700%的(de)拉伸(shen)應(ying)變，其(qi)力學性能(neng)可通過改(gai)變漿料中交(jiao)聯劑含量(liang)來調(tiao)控。水(shui)凝膠作為(wei)驅動(dong)材(cai)料，在失水過程(cheng)中(zhong)可實現高(gao)達(da)65%的(de)體(ti)積(ji)收縮(suo)率(lv)和(he)40倍(bei)以上的(de)模(mo)量提(ti)升(sheng)，在變形失配誘(you)導下(xia)帶動(dong)層合(he)結(jie)構(gou)產生(sheng)整體(ti)彎(wan)曲變形，其(qi)更重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，光固(gu)化(hua)陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)-水凝膠層(ceng)合(he)結(jie)構(gou)界面(mian)韌(ren)性好(hao)，保證(zheng)其(qi)在變形過程中(zhong)不會(hui)發生(sheng)界(jie)面剝(bo)離。

圖(tu)2. 光固(gu)化(hua)陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)和水凝膠(jiao)材(cai)料的(de)性(xing)能(neng)表(biao)征(zheng)。

如圖(tu)3所示，在燒結過程(cheng)中(zhong)，彎(wan)曲的(de)層(ceng)合(he)結(jie)構(gou)發生(sheng)了(le)曲率回撤(che)現象(xiang)。通過實(shi)驗(yan)研究(jiu)和有(you)限元模(mo)擬，研究(jiu)團隊(dui)將(jiang)現象(xiang)歸(gui)因於燒(shao)結(jie)過程中(zhong)層合(he)結(jie)構(gou)厚度(du)方向(xiang)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)收(shou)縮(suo)。綜合(he)考(kao)慮水(shui)凝膠失水過(guo)程(cheng)中(zhong)層合(he)結(jie)構(gou)變形以及燒(shao)結過(guo)程中(zhong)陶(tao)瓷(ci)結構(gou)曲率回撤(che)現象(xiang)，研究(jiu)團隊(dui)建(jian)立(li)了(le)基於相轉(zhuan)變的(de)本(ben)構(gou)模(mo)型描述水凝(ning)膠脫(tuo)水的(de)剛(gang)度(du)增(zeng)加(jia)和體積(ji)收(shou)縮(suo)，進(jin)而結合(he)層(ceng)合(he)梁(liang)理(li)論預測陶(tao)瓷(ci)彈性(xing)體(ti)-水凝膠層(ceng)合(he)結(jie)構(gou)的(de)脫(tuo)水(shui)彎(wan)曲過程(cheng)，最後(hou)將(jiang)陶(tao)瓷(ci)燒結過程中變形梯(ti)度引發的(de)非(fei)均(jun)勻(yun)收(shou)縮(suo)引入(ru)理論模(mo)型，計算(suan)最終的(de)結(jie)構(gou)彎(wan)曲變形，理論預測與(yu)實(shi)驗(yan)結(jie)果取得(de)了(le)很好(hao)的(de)壹致(zhi)性。利(li)用理(li)論模(mo)型繪制的(de)設(she)計機(ji)制圖(tu)可以定量(liang)呈現結(jie)構(gou)變形與(yu)結(jie)構(gou)參數的(de)映(ying)射(she)關(guan)系，為水(shui)凝膠(jiao)-陶(tao)瓷(ci)層合(he)結(jie)構(gou)設計提供了(le)有(you)效(xiao)指導。

圖(tu)3. 燒(shao)結(jie)過(guo)程(cheng)中陶(tao)瓷(ci)結構(gou)曲率回撤(che)現象(xiang)及(ji)其(qi)理論模(mo)型預測。

圖(tu)4展(zhan)示(shi)了(le)陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印的(de)逆向(xiang)設計流程：1）通過三(san)維(wei)建(jian)模(mo)提取目(mu)標構(gou)型特(te)征(zheng)參數；2）設(she)計平(ping)面圖(tu)案(an)確(que)定待定(ding)設(she)計參數；3）理(li)論模(mo)型計算(suan)待定(ding)設計參數；4）有(you)限元模(mo)擬預測三(san)維(wei)形(xing)狀(zhuang)；5）多材料(liao)打(da)印實(shi)現層(ceng)合(he)結(jie)構(gou)到目(mu)標三(san)維(wei)形(xing)狀(zhuang)的(de)構(gou)型轉(zhuan)換。以正(zheng)四面體(ti)為(wei)例，具(ju)體(ti)展(zhan)示(shi)了(le)陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印的(de)設(she)計流程，實驗(yan)結(jie)果與(yu)最初的(de)設(she)計目(mu)標壹致(zhi)。

圖(tu)4. 陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印的(de)逆向(xiang)設計流程。

如圖(tu)5所示，通過對(dui)平(ping)面層合(he)結(jie)構(gou)進(jin)行多樣(yang)化(hua)圖(tu)案(an)設(she)計，可實現如(ru)立(li)方體(ti)盒(he)子(zi)、Miura折紙(zhi)結構(gou)、鶴(he)、三(san)葉(ye)風扇(shan)和蠍(xie)子(zi)等各(ge)種三(san)維(wei)陶(tao)瓷(ci)結構(gou)。與(yu)模(mo)具(ju)輔(fu)助(zhu)變形和手動(dong)折疊(die)等(deng)方(fang)法相比，基於水(shui)凝(ning)膠失水(shui)驅動(dong)的(de)陶(tao)瓷(ci)直接(jie)4D打(da)印技(ji)術(shu)能(neng)夠(gou)更簡單、更高效(xiao)、更精準(zhun)地制造(zao)各(ge)三(san)維(wei)陶(tao)瓷(ci)結構(gou)，為復雜(za)陶(tao)瓷(ci)結構(gou)的(de)設(she)計和制造(zao)開(kai)辟了(le)新(xin)的(de)途(tu)徑。

圖(tu)5. 陶(tao)瓷(ci)4D打(da)印的(de)復雜(za)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)。

MultiMatter C1

基於高(gao)精(jing)度數字光處(chu)理3D打(da)印技(ji)術(shu)和離(li)心(xin)式(shi)多材料(liao)切(qie)換(huan)技(ji)術(shu)，MultiMatter C1多材料(liao)3D打(da)印裝(zhuang)備(bei)可實現任(ren)意(yi)復雜(za)異質結構(gou)快(kuai)速(su)成(cheng)型，在力學超材料(liao)、生(sheng)物(wu)醫學(xue)、柔(rou)性電子(zi)、軟體(ti)機(ji)器(qi)人(ren)等領域(yu)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)應(ying)用潛(qian)力(li)。

設備(bei)亮點

離心(xin)式(shi)多材料(liao)切(qie)換(huan)技(ji)術(shu):開發的(de)離(li)心(xin)式(shi)多材料(liao)切(qie)換(huan)技(ji)術(shu)可實現高(gao)效(xiao)材(cai)料(liao)切(qie)換(huan)和(he)殘(can)液(ye)去(qu)除。離(li)心(xin)轉(zhuan)速(su)可調，最高(gao)達8000轉(zhuan)/分(fen)鐘(zhong)，60秒內(nei)即可完成(cheng)多材料(liao)切(qie)換(huan)，單(dan)次打(da)印多材料(liao)切(qie)換(huan)最大次數高(gao)達(da)2000次。

可打(da)印材(cai)料範(fan)圍廣(guang):該設(she)備(bei)支持(chi)粘(zhan)度在50-5000 cps範(fan)圍內(nei)的(de)硬性(xing)樹脂、彈性(xing)體(ti)、水凝膠、形(xing)狀(zhuang)記憶高分(fen)子(zi)和導電彈性(xing)體(ti)等材料及(ji)這(zhe)些材(cai)料組(zu)合(he)結(jie)構(gou)的(de)多材料(liao)3D打(da)印，為(wei)不同(tong)行業和(he)應(ying)用領域(yu)，提(ti)供了(le)材料(liao)選(xuan)擇(ze)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。

多功能(neng)多材料(liao)耦合(he)結(jie)構(gou)實現：該設(she)備(bei)可打(da)印高(gao)復雜(za)度、高精(jing)度、多功能(neng)、多材料(liao)耦合(he)結(jie)構(gou)，支持(chi)同(tong)時打(da)印2種(zhong)材料(liao)，可打(da)印層(ceng)內多材料(liao)和層(ceng)間(jian)多材料(liao)，且多材料(liao)層內(nei)過(guo)渡(du)區尺寸(cun)在200μm以內，為(wei)復雜(za)多材料(liao)結構(gou)制造(zao)提(ti)供高精(jing)度解決方案。