城大研發「陶瓷墨水」 開發全球首套4D打印陶瓷技術

 

香港城市大學（城大）的研究團隊成功研發一種新型「陶瓷墨水」，開發全球首套4D打印陶瓷技術。這項材料研究上的突破性進展，將為陶瓷結構的應用翻開新的一頁，例如應用在電子產品製造、航空工業和太空探索方面。

陶瓷熔點高，不能輕易鑄造或造成不同形狀；加上現時以3D打印的陶瓷前驅體通常較難變形，故有礙生產形狀較複雜的陶瓷。

城大副校長（研究及科技）兼機械工程學講座教授呂堅教授領導的研究團隊，研發了一種新型的「陶瓷墨水」——一種聚合物和陶瓷納米顆粒的混合物。採用這種新型墨水以3D打印出來的陶瓷前驅體，既柔軟且可以拉伸至超過原來長度的三倍，能用於製造複雜的形狀，例如摺紙結構。

4D打印是指在傳統3D打印的基礎上，增加「時間」作為第四維度。3D打印物體在外部刺激下，例如機械力、溫度或磁場，就可以隨着時間變形或自我組裝。

在這項研究中，團隊利用前驅體內儲存的彈性能量來變形。當拉伸的陶瓷前驅體彈性能量被釋放時，它會自我變形。經過熱處理後，前驅體就會轉化成陶瓷。

這種由彈性體衍生的4D打印陶瓷結構堅固，而且和一般的打印陶瓷相比，它的尺寸更大、強度更高。

呂教授說︰「整個系統聽起來簡單，但事實並非如此。從製作墨水到開發整套打印系統，我們用盡各種方法、作了多次嘗試。就像在蛋糕上擠奶油一樣，從奶油種類、唧嘴大小、擠壓速度和力度，以至溫度，很多因素都會影響結果。」

 

這項創新發明剛在最新一期的頂級學術期刊《科學進展》上發表，題為「彈性體衍生的摺紙陶瓷和4D打印陶瓷」。研究團隊的所有成員均來自城大，包括研究助理劉果博士、高級副研究員趙岩博士、研究員吳戈博士。

呂教授說︰「憑藉陶瓷前驅體多樣化的變形能力，它的應用範圍廣泛。」重要的應用範疇之一將是電子產品。陶瓷材料在傳輸電磁訊號方面較金屬材料優越，隨着5G網絡的到來，陶瓷產品將在電子產品製造中發揮更重要作用。陶瓷的藝術特性及其可塑成複雜形狀的能力，亦可為消費者度身訂做獨一無二的陶瓷手機背板。

這項創新發明還可應用於航空工業和太空探索上。呂教授說︰「陶瓷堅固且耐熱，因此4D打印陶瓷具有極高的潛力用於製作推進部件，應用在航空業。」

此項研究獲得各方的支持，包括國家自然科學基金委員會重大項目、大學教育資助委員會的協作研究金和主題研究計劃、透過國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心得到香港創新科技署的資助、廣東省科學技術廳，以及深圳市科技創新委員會的資助。

解釋是項研究的短片：

https://drive.google.com/open?id=1UEirPdxaDb0dXeE9ezm_bS9bjWbqfZpP