Forskerteam udvikler verdens første nogensinde 4-D-tryk til keramik

Et forskerhold ved City University of Hong Kong (CityU) har opnået et banebrydende fremskridt inden for materialeforskning ved med succes at udvikle verdens første 4-D-tryk til keramik, som er mekanisk robuste og kan have komplekse former. Dette kan vende en ny side i den strukturelle anvendelse af keramik.

Keramik har et højt smeltepunkt, så det er svært at bruge konventionel laserprint til at lave keramik. De eksisterende 3D-trykte keramiske forstadier, som normalt er vanskelige at deformere, forhindrer også produktion af keramik med komplekse former. For at overvinde disse udfordringer, CityU -teamet har udviklet en ny "keramisk blæk, "som er en blanding af polymerer og keramiske nanopartikler. De 3D-trykte keramiske forstadier trykt med dette nye blæk er bløde og kan strækkes tre gange ud over deres oprindelige længde. Disse fleksible og strækbare keramiske forstadier tillader komplekse former, såsom origami foldning. Med korrekt varmebehandling, keramik med komplekse former kan laves.

Teamet blev ledet af professor Lu Jian, formand professor i maskinteknik, som er en fremtrædende materialeforsker med forskningsinteresser lige fra fabrikation af nanomaterialer og avancerede strukturmaterialer til den beregningsmæssige simulering af overfladeteknik. Med udviklingen af ​​de elastiske forstadier, forskergruppen har opnået endnu et gennembrud ved at udvikle to metoder til 4-D-udskrivning af keramik.

4-D-udskrivning er konventionel 3D-udskrivning kombineret med det ekstra element af tid som den fjerde dimension, hvor de udskrevne objekter kan forme eller selv samle sig over tid med eksterne stimuli, såsom mekanisk kraft, temperatur, eller et magnetfelt. I denne forskning, teamet brugte den elastiske energi, der er lagret i de strakte forstadier til formformning. Når de strakte keramiske forstadier frigives, de undergår selvformning. Efter varmebehandling, forstadierne bliver til keramik.

Den resulterende elastomer-afledte keramik er mekanisk robust. De kan have et højt trykstyrke-til-densitetsforhold (547 MPa på 1,6 g cm-3 mikrolåge), og de kan komme i store størrelser med høj styrke sammenlignet med anden trykt keramik.

"Hele processen lyder enkel, men det er ikke, "sagde professor Lu." Fra at lave blækket til at udvikle tryksystemet, vi prøvede mange gange og forskellige metoder. Som at klemme glasur på en kage, der er mange faktorer, der kan påvirke resultatet, alt fra typen af ​​creme og dysens størrelse til klemningens hastighed og kraft, og temperaturen. "

Det tog mere end to et halvt år for teamet at overvinde begrænsningerne i de eksisterende materialer og at udvikle hele 4-D keramiske printsystem.

I den første formningsmetode, en 3D-trykt keramisk forstadie og substrat blev først trykt med det nye blæk. Substratet blev strakt ved hjælp af en tosidig strækningsindretning, og samlinger til tilslutning af forløberen blev trykt på den. Forstadiet blev derefter placeret på det strakte substrat. Med den computerprogrammerede kontrol af tid og frigivelse af det strakte underlag, materialer forvandlet til den designede form.

I den anden metode, det designede mønster blev trykt direkte på den strakte keramiske forstadie. Det blev derefter frigivet under computerprogrammeringskontrol og undergik selvmorfiseringsprocessen.

Innovationen blev offentliggjort i den seneste udgave af top akademisk tidsskrift Videnskab fremskridt under titlen "Origami og 4-D udskrivning af elastomer-afledte keramiske strukturer." Alle forskergruppemedlemmer er fra CityU, herunder Dr. Liu Guo, Forskningsassistent, Dr. Zhao Yan, seniorforsker, og Dr. Wu Ge, forsker.

"Med den alsidige formformende evne til de trykte keramiske forstadier, dens anvendelse kan være enorm, "sagde professor Lu. En lovende anvendelse er elektronik. Keramiske materialer har meget bedre ydeevne til at transmittere elektromagnetiske signaler end metalliske materialer. Med ankomsten af ​​5G -netværk, keramiske produkter vil spille en vigtigere rolle i fremstillingen af ​​elektroniske produkter. Keramikkens kunstneriske karakter og deres evne til at danne komplekse former giver også forbrugerne potentiale til at oprette brugerdefinerede keramiske mobiltelefonplader.

Desuden, denne innovation kan anvendes inden for luftfart og rumforskning. "Da keramik er et mekanisk robust materiale, der kan tåle høje temperaturer, den 4-D-trykte keramik har et stort potentiale til at blive brugt som fremdrivningskomponent inden for luftfartsområdet, "sagde prof Lu.

Rider på gennembruddet inden for materiale og fremskridt i 4-D-printteknikker, Prof Lu sagde, at det næste trin er at forbedre materialets mekaniske egenskaber, såsom at reducere dens sprødhed.