4D打印是一種基于3D打印發(fā)展而來，將智能材料和力學(xué)設(shè)計融入打印過程的新型制造技術(shù)。在光、熱、電、磁等外界環(huán)境刺激下，4D打印結(jié)構(gòu)可隨時間產(chǎn)生形狀或功能的改變，在生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，能實現(xiàn)4D打印的材料主要局限于水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體等智能軟材料，而對于陶瓷類硬質(zhì)材料的4D打印仍存在諸多技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)有的陶瓷4D打印主要基于墨水直寫工藝，且需模具實現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)編程，效率和精度有待提高。因此，需要開發(fā)一種無需模具或外力輔助變形的高效高精度陶瓷4D打印技術(shù)。

葛锜教授團隊與原超副教授團隊合作提出了一種基于水凝膠失水驅(qū)動的陶瓷4D打印方法。研究團隊開發(fā)出適用于DLP打印的光敏陶瓷彈性體漿料和丙烯酸水凝膠前驅(qū)體。光固化后兩種材料均可實現(xiàn)較大變形，其中陶瓷彈性體生坯可承受高達700%拉伸應(yīng)變；水凝膠在失水過程中可實現(xiàn)高達65%體積收縮率，同時伴有40倍以上模量增加。該成果發(fā)表在《Nature Communications》，題為“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"。

本成果采用團隊自主開發(fā)多材料光固化4D打印設(shè)備打印水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)，通過水凝膠失水驅(qū)動層合結(jié)構(gòu)由平面圖案直接演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過高溫脫脂燒結(jié)即得到純陶瓷結(jié)構(gòu)（圖1）。該方法在無需額外形狀編程的條件下實現(xiàn)了陶瓷結(jié)構(gòu)的直接4D打印。

在燒結(jié)過程中，彎曲的層合結(jié)構(gòu)發(fā)生了曲率回撤現(xiàn)象。通過實驗研究和有限元模擬，研究團隊將現(xiàn)象歸因于燒結(jié)過程中層合結(jié)構(gòu)厚度方向的不均勻收縮。綜合考慮水凝膠失水過程中層合結(jié)構(gòu)變形以及燒結(jié)過程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象，研究團隊建立了基于相轉(zhuǎn)變的本構(gòu)模型描述水凝膠脫水的剛度增加和體積收縮，進而結(jié)合層合梁理論預(yù)測陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)的脫水彎曲過程，最后將陶瓷燒結(jié)過程中變形梯度引發(fā)的非均勻收縮引入理論模型，計算最終的結(jié)構(gòu)彎曲變形，理論預(yù)測與實驗結(jié)果取得了很好的一致性（圖2）。利用理論模型繪制的設(shè)計機制圖可以定量呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系，為水凝膠-陶瓷層合結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效指導(dǎo)。

以正四面體為例，具體展示了陶瓷4D打印的設(shè)計流程，實驗結(jié)果與最初設(shè)計目標(biāo)一致。陶瓷4D打印的逆向設(shè)計流程（圖3）：

1）通過三維建模提取目標(biāo)構(gòu)型特征參數(shù)；

2）設(shè)計平面圖案確定待定設(shè)計參數(shù)；

3）理論模型計算待定設(shè)計參數(shù)；

4）有限元模擬預(yù)測三維形狀；

5）多材料打印實現(xiàn)層合結(jié)構(gòu)到目標(biāo)三維形狀的構(gòu)型轉(zhuǎn)換。

通過對平面層合結(jié)構(gòu)進行多樣化圖案設(shè)計，可實現(xiàn)如立方體盒子、Miura折紙結(jié)構(gòu)、鶴、三葉風(fēng)扇和蝎子等各種三維陶瓷結(jié)構(gòu)（圖4）。與模具輔助變形和手動折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅(qū)動的陶瓷直接4D打印技術(shù)能夠更簡單、更高效、更精準(zhǔn)地制造各三維陶瓷結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造開辟了新的途徑。