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  4D打印是一种根据3D打印开展的新式制作技能。比较3D打印，4D打印将智能资料和力学规划融入制作的完好进程。因此在外界环境影响（如光、热、电、磁等）下，4D打印结构可随时刻产生形状或功用的改动，在生物医疗、航空航天等范畴有着宽广的使用远景。现在，完成4D打印的资料首要局限于水凝胶、形状回忆聚合物和液晶弹性体等智能软资料，而关于陶瓷类资料的4D打印仍存在许多技能瓶颈。现有的陶瓷4D打印首要是根据墨水直写工艺，且需模具完成结构预编程，功率和精度有待提高。数字光处理（DLP）技能是一种经过紫外光面投影成型的高精度3D打印技能，但将该技能用于陶瓷4D打印仍面对以下几个应战：（i）缺少具有大变形才能的光固化陶瓷弹性体树脂；（ii）缺少与陶瓷弹性体树脂匹配的光固化驱动资料；（iii）缺少可以一体化成型陶瓷弹性体-驱动资料的多资料3D打印技能和配备。

  2024年1月26日，南边科技大学机械与动力工程系葛锜教授与西安交通大学原超副教授研讨团队提出了一种简略高效的陶瓷4D打印制作办法和规划战略。选用团队自主开发的MultiMatter C1型多资料光固化3D打印设备制作水凝胶-陶瓷弹性体层合结构，经过水凝胶失水驱动层合结构由平面图画演化为杂乱三维结构，在无需额定形状编程的条件下完成陶瓷结构的直接4D打印。该研讨成果以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration”为题，宣布在Nature Communications期刊上。南边科技大学机械与动力工程系研讨助理教授王荣、西安交通大学副教授原超和南边科技大学博士研讨生程健翔为论文一起榜首作者。西安交通大学原超副教授和南边科技大学葛锜教授为论文一起通讯作者。南边科技大学为论文榜首单位。

  图1展现了陶瓷4D打印的根本流程。选用南科大葛锜教授课题组自主研制的多资料光固化3D打印设备一体化成型界面结实的水凝胶-陶瓷弹性体层合结构，经过水凝胶失水驱动平面图画演化为杂乱三维结构，从而使用高温脱脂和烧结得到纯陶瓷三维结构。

  图2展现了研讨团队为陶瓷4D打印开宣布的低粘度光敏陶瓷弹性体浆料和丙烯酸水凝胶前驱体。固化成型的陶瓷弹性体生坯具有大变形才能，可接受高达700%的拉伸应变，其力学性能可经过改动浆猜中交联剂含量来调控。水凝胶作为驱动资料，在失水进程中可完成高达65%的体积缩短率和40倍以上的模量提高，在变形失配诱导下带动层合结构产生全体曲折变形，其更重要的是，光固化陶瓷弹性体-水凝胶层合结构界面耐性好，保证其在变形进程中不可能会产生界面剥离。

  如图3所示，在烧结进程中，曲折的层合结构产生了曲率回撤现象。经过试验研讨和有限元模仿，研讨团队将现象归因于烧结进程中层合结构厚度方向的不均匀缩短。考虑水凝胶失水进程中层合结构变形以及烧结进程中陶瓷结构曲率回撤现象，研讨团队建立了根据相改变的本构模型描绘水凝胶脱水的刚度添加和体积缩短，从而结合层合梁理论猜测陶瓷弹性体-水凝胶层合结构的脱水曲折进程，终究将陶瓷烧结进程中变形梯度引发的非均匀缩短引进理论模型，核算终究的结构曲折变形，理论猜测与试验成果取得了很好的共同性。使用理论模型制作的规划机制图可以定量出现结构变形与结构参数的映射联系，为水凝胶-陶瓷层合结构规划供给了有用辅导。

  图4展现了陶瓷4D打印的逆向规划流程：1）经过三维建模提取方针构型特征参数；2）规划平面图画确认待定规划参数；3）理论模型核算待定规划参数；4）有限元模仿猜测三维形状；5）多资料打印完成层合结构到方针三维形状的构型转化。以正四面体为例，详细展现了陶瓷4D打印的规划流程，试验成果与开始的规划方针共同。

  如图5所示，经过对平面层合结构可以进行多样化图画规划，可完成如立方体盒子、Miura折纸结构、鹤、三叶电扇和蝎子等各种三维陶瓷结构。与模具辅佐变形和手动折叠等办法比较，根据水凝胶失水驱动的陶瓷直接4D打印技能可以更简略、更高效、更精准地制作各三维陶瓷结构，为杂乱陶瓷结构的规划和制作拓荒了新的途径。

  该项研讨得到国家天然科学基金、广东省珠江人才方案、深圳市软物质力学与智造要点试验室项目的赞助。

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