具有復雜幾何形狀的聚合物衍生陶瓷在環(huán)境科學和生物醫(yī)學等工程領域具有應用價值。然而，固有脆性和剛性的樹脂基陶瓷前驅體難以實現(xiàn)結構層次跨越不同尺度的陶瓷構件，限制了復雜陶瓷器件的高精度制造。柔性聚合物陶瓷前驅體的變形能力為實現(xiàn)大跨度結構陶瓷提供了一種理想的選擇，但現(xiàn)有的陶瓷前驅體柔韌性和重構性差。因此，發(fā)展可3D打印的新型柔性陶瓷前驅體對制造復雜的無支撐、大跨度結構陶瓷器件至關重要。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室3D打印摩擦器件組采用3D打印柔性水凝膠前驅體制備復雜結構陶瓷。該團隊發(fā)展了利用3D打印水凝膠柔性骨架輔助高幾何復雜性、高打印精度和形狀保真度陶瓷成形的新方案。該方案解決了傳統(tǒng)陶瓷制造因脆性和剛性導致的形狀復雜性和尺寸收縮問題，在立體電路、生物醫(yī)學和功能催化等領域展現(xiàn)出應用價值。
該團隊受折紙/剪紙藝術的啟發(fā)，以水性無機粘結劑磷酸二氫鋁溶膠為水凝膠單體分散介質，將水凝膠單體和納米陶瓷粉體混合來制備光敏性水凝膠陶瓷漿料；利用光固化3D打印獲得了具有優(yōu)異的延展性、形狀適應性、抗疲勞性且可二次變形的水凝膠柔性骨架；依次經過脫水干燥、低溫脫脂和高溫燒結等步驟，實現(xiàn)了具有超低收縮、高陶瓷產率和形狀保真度的懸空大跨度陶瓷結構。該工作設計的柔性水凝膠基陶瓷前驅體能夠實現(xiàn)從平面形狀到3D立體結構的轉變，突破了傳統(tǒng)硬質/脆性陶瓷前驅體制造復雜陶瓷結構的局限。
生活中常見的大跨度懸空結構較難通過傳統(tǒng)的光固化3D打印實現(xiàn)。為此，科研人員將柔性的二維水凝膠形狀如圓柱形、線狀、彈簧和漩渦經過擠壓、編織、扭曲和拉伸等連續(xù)變形，可以重新塑造成具有多尺度和大跨度的復雜三維立體結構，如燈籠、中國結、彈簧卷和螺旋。
基于這一方法，研究人員制造出無支撐且大跨度的陶瓷三維電路。這種陶瓷三維電路能夠較好地點亮LED燈帶。此外，研究發(fā)現(xiàn)，利用水凝膠柔性骨架的可變形性，可按需或個性化制造具有顱骨缺損形狀的陶瓷結構以實現(xiàn)骨缺陷部位修復。同時，該陶瓷結構可以結合表面改性策略，設計并制備高性能的復雜結構催化陶瓷器件。這一器件具有優(yōu)良的催化活性和穩(wěn)定性?？蒲腥藛T拓展了上述新方法在三維電路、生物醫(yī)用及功能催化領域的潛在應用。
相關研究成果以Sophisticated Structural Ceramics Shaped from 3D Printed Hydrogel Preceramic Skeleton為題，發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃創(chuàng)新團隊項目、甘肅省科技計劃和蘭州化物所重點培育項目等的支持。
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
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