具有復(fù)雜幾何形狀的聚合物衍生陶瓷在環(huán)境科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。然而，固有脆性和剛性的樹脂基陶瓷前驅(qū)體難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層次跨越不同尺度的陶瓷構(gòu)件，限制了復(fù)雜陶瓷器件的高精度制造。柔性聚合物陶瓷前驅(qū)體的變形能力為實(shí)現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)陶瓷提供了一種理想的選擇，但現(xiàn)有的陶瓷前驅(qū)體柔韌性和重構(gòu)性差。因此，發(fā)展可3D打印的新型柔性陶瓷前驅(qū)體對(duì)制造復(fù)雜的無支撐、大跨度結(jié)構(gòu)陶瓷器件至關(guān)重要。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組采用3D打印柔性水凝膠前驅(qū)體制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷。該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了利用3D打印水凝膠柔性骨架輔助高幾何復(fù)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(dǎo)致的形狀復(fù)雜性和尺寸收縮問題，在立體電路、生物醫(yī)學(xué)和功能催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值。

該團(tuán)隊(duì)受折紙/剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，以水性無機(jī)粘結(jié)劑磷酸二氫鋁溶膠為水凝膠單體分散介質(zhì)，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(yīng)性、抗疲勞性且可二次變形的水凝膠柔性骨架；依次經(jīng)過脫水干燥、低溫脫脂和高溫?zé)Y(jié)等步驟，實(shí)現(xiàn)了具有超低收縮、高陶瓷產(chǎn)率和形狀保真度的懸空大跨度陶瓷結(jié)構(gòu)。該工作設(shè)計(jì)的柔性水凝膠基陶瓷前驅(qū)體能夠?qū)崿F(xiàn)從平面形狀到3D立體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，突破了傳統(tǒng)硬質(zhì)/脆性陶瓷前驅(qū)體制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的局限。

生活中常見的大跨度懸空結(jié)構(gòu)較難通過傳統(tǒng)的光固化3D打印實(shí)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(jīng)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(fù)雜三維立體結(jié)構(gòu)，如燈籠、中國結(jié)、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(diǎn)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(gè)性化制造具有顱骨缺損形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)骨缺陷部位修復(fù)。同時(shí)，該陶瓷結(jié)構(gòu)可以結(jié)合表面改性策略，設(shè)計(jì)并制備高性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Sophisticated Structural Ceramics Shaped from 3D Printed Hydrogel Preceramic Skeleton為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、甘肅省科技計(jì)劃和蘭州化物所重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。

光固化3D打印水凝膠柔性前驅(qū)體輔助制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的方案