2D / 3D / 4D增材制造的科研进展

 

制备出形状复杂、性能优良、适用于不同应用的材料，一直是材料科学家和工程师的研究重点。城大的科学家继开发了全球首创的超纳双相合金和全球首套4D打印陶瓷技术后，目前正致力结合这两项尖端技术，以制造轻质、高强度金属材料，以应用于生物医学、航空工业和太空探索。

3D打印技术又称增材制造，由于能够以低成本制备形状复杂的组件，在制造、建筑、生物医学以及航空航天等不同工业，获广泛应用。然而，部分应用仍有所限制，例如医用植入物的运动部件， 3D打印而成的金属材料容易出现金属疲劳、耐磨性欠佳，最终可能要进行第二次手术更换有关植入物。

结合两项尖端技术

城大机械工程学系讲座教授、国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心和先进结构材料研究中心主任吕坚教授，是金属和陶瓷材料力学性能的专家。他领导的团队正研发一套具开创性的2D / 3D / 4D增材制造系统，以制备各种力学性能理想的金属基材料，满足不同应用的需求。

吕教授说：“透过结合双相纳米结构和4D打印这两项创新技术，以探索任何可能出现、非同寻常的力学或超材料性能，是值得探索的方向。”吕教授同时兼任“纳米材料与力学联合实验室”主任，该联合实验室由中国科学院金属研究所（IMR）和城大共同设立, 在2019年中科院-香港联合实验室评估中获得优秀成绩，并获得香港的大学教育资助委员会的专项支持。2020年，该联合实验室获国家科技部支持，在香港城市大学深圳研究院组建沈阳材料科学国家科学研究中心大湾区研究部，由吕教授出任主任。

此前，他领导的团队便成功开发了全球首创的超纳双相镁合金材料，透过先进的双相纳米结构调控技术，他们克服了现有金属结构材料高强度与高延展性无法兼容的局限性。团队研发的新型材料的强度，较现有的镁合金晶态材料高出十倍，并具有超强的变形能力，较镁基金属玻璃高两倍。有关研究成果在国际顶尖科学学术期刊《自然》上发表封面文章，是中国科学家首次在该刊就结构材料领域研究发表的封面文章，并获中国自然科学基金委选为基金会会刊（季刊）的封面成果。

团队亦开发了全球首套4D打印陶瓷技术，以新型3D技术打印出来的陶瓷前驱体可以拉伸，储存在内的弹性能量，使它可以随着时间自行变形，而且所制备出来的陶瓷结构坚固，具有高比强度（specific strength）。

 

制造理想的植入材料

团队现时进行的研究项目，便结合这两种顶尖技术。他们将首先开发2D / 3D / 4D制造系统，以制备形状复杂的金属基材料，特别是用于生物医学和轻型结构应用的材料。 由于钛基合金一向被视为是理想的植入材料，因此团队会先集中制备超纳米3D打印钛基合金，并探讨其力学性能。

“透过运用我们研发的4D打印、制备超纳米材料以及制造表面纳米结构材料方面所获得的知识和技术，我们将进一步研究3D打印的钛基合金和其他金属材料，以提高其抗疲劳性能。我们希望为医用植入物和航空航天工业开发高强度和耐磨的轻质金属材料。”吕教授续称。  

 

团队亦会研究不同“后处理技术”如提高耐疲劳性的表面机械研磨处理（SMAT），以及增强耐磨性的物理气相沉积（PVD），对打印材料的力学性能的影响。其中，SMAT是一种表面纳米结晶技术，由吕教授联同中国科学院金属研究所前所长卢柯院士首先提出，以大功率超声波振动，使数以百计小硬珠高速撞击材料表面，来增强金属合金的耐磨及抗疲劳性能。 

医学应用的生物传感器

团队的另一目标是建立3D打印金属材料的数据库，详细列出各种材料的力学性能、微观结构、处理工序和潜在应用。吕教授说：“对开发新型材料和探索崭新应用的材料研究人员和工程师来说，这个数据库将会有极大帮助。我们希望数据库能促进金属材料在不同领域的应用，从而造福社会。”  

 

除了3D打印技术外，吕教授及其团队还致力于功能性贵金属材料的研究。值得一提的是，他们最新开发、基于超灵敏表面增强拉曼光谱（SERS）的生物传感技术。这项技术可应用于不同领域，如抗生素检测和确保食品和化妆品安全等。他们正研究利用这项技术作为2019冠状病毒病、癌症和心脑血管疾病的快速检测，以及糖尿病无创检测的可行性。 

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