城大首创4D打印陶瓷
香港城市大学（城大）的研究团队成功开发全球首套4D打印陶瓷技术，在材料研发上取得突破性进展，这项新技术能够打印出坚固且形状复杂的陶瓷，为陶瓷结构的应用翻开了新的一页。
由于陶瓷有熔点高的特性，因此难以用传统的激光打印方法来制造陶瓷。而现在用3D打印的陶瓷前驱体通常难以变形，因此阻碍了一些形状复杂陶瓷的生产。
为了克服这些挑战，城大团队开发了一种新型的"陶瓷墨水"—— 一种聚合物和陶瓷纳米颗粒的混合物。采用这种新型墨水并以3D打印出来的陶瓷前驱体，既柔软且富弹性，可以拉伸至超过原来材料长度的三倍。这些柔韧且可拉伸的陶瓷前驱体，为制造一些譬如折纸结构的复杂形状创造了条件。之后通过适当的高温处理，就可以制造出形状复杂的陶瓷。
这项研究由城大副校长（研究及科技）及机械工程学讲座教授吕坚教授带领，吕教授是一名出色的材料科学家，研究范畴包括纳米及先进材料的制备，和表面工程仿真模拟设计。
4D打印是指在传统3D打印的基础上，增加一个时间维度作为第四维度：由3D打印出来的物体形状和结构在一定的外部刺激下，例如机械力、温度或磁场，可以随着时间而自我变形或自我组装。
在这项研究中，团队利用拉伸了的前驱体的弹性势能来改变形状。当拉伸的陶瓷前驱体弹性能量被释放时，它会进行自我变形。经过热处理后，前驱体就会转化成陶瓷。
这种由弹性体衍生的4D打印陶瓷，结构坚固，具有很高的抗压强度，可以达到547 MPa（密度约1.6 g/cm3），而且比起一般的打印陶瓷，它兼具大尺寸和高强度两种优势。
吕教授说︰“整个系统听起来好像很简单，但事实并非如此。从制作墨水到开发整套打印系统，我们尝试了无数次，也使用过不同的方法。就像在蛋糕上挤奶油一样，很多因素会影响结果，从奶油种类、唧嘴大小、挤压速度和力度，以至温度，都对结果产生影响。”
历时逾两年半，团队最终克服了现有材料的局限性并开发出整套4D打印陶瓷系统。
在第一种成型方法中，团队首先用新型陶瓷墨水印制3D陶瓷前驱体和基底，然后将基底放在双轴拉伸装置上进行拉伸，再在拉伸了的基底上打印接连陶瓷前驱体的连接点，之后把陶瓷前驱体放上去，由计算机程控时间和释放拉伸了的基底，整个结构便会屈曲成预设的形状。
在第二种方法中，团队将设计图案直接打印在已拉伸的陶瓷前驱体上。前驱体在计算机程控下被释放，就会进行自我变形。
全球首个4D打印陶瓷发明。(观看视频)
这项创新发明的相关资讯发表于最新一期的顶级学术期刊《科学进展》（Science Advances），标题为《弹性体衍生的折纸陶瓷和4D打印陶瓷》（Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures）。所有研究团队的成员均来自城大，包括研究助理刘果博士、高级副研究员赵岩博士和研究员吴戈博士。
吕教授说：“凭借陶瓷前驱体多样化的变形能力，它的应用范围可以很广。”其中一项重要的应用将会是电子产品。陶瓷材料在传输电磁讯号方面比金属材料更优越，随着5G网络时代的到来，陶瓷产品将在电子产品制造中发挥更重要作用。陶瓷的艺术特性及其可塑成复杂形状的能力，将来可以为消费者量身订做独一无二的陶瓷手机背板。
此外，这项创新发明可以应用于航空工业和太空探索上。吕教授说︰“陶瓷坚固且耐热，因此4D打印陶瓷具有极高的潜力，可用来制作推进部件应用在航空业上。”
同时，在这次研究中提出的“3D打印弹性体—自变形—陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，可进一步研发用于作为陶瓷前驱体的硅胶基质纳米复合材料，推广至采用其他两相或多相材料。这种方法开辟了制作复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺，有望应用在航空发动机上。
凭借材料和4D打印技术的突破，吕教授表示下一步将是提高材料的机械性能，例如减低其脆性。
此项研究获得国家自然科学基金委员会重大项目、香港的大学教育资助会协作研究金和主题研究计划支持。它亦通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心得到香港创新科技署的资助，并获得广东省科学技术厅和深圳市科技创新委员会的资助。