城大全球首創4D打印陶瓷

香港城市大學（城大）的研究團隊成功開發全球首套4D打印陶瓷技術，在材料研發上取得突破性進展，這項新技術可以打印出既堅固且形狀複雜的陶瓷，為陶瓷結構的應用翻開了新的一頁。

由於陶瓷有熔點高的特性，因此難以用傳統的激光打印方法來製造陶瓷。而現時以3D打印的陶瓷前驅體通常較難變形，故此窒礙了一些形狀複雜陶瓷的生產。

為了克服這些挑戰，城大團隊開發了一種新型的「陶瓷墨水」── 一種聚合物和陶瓷納米顆粒的混合物。團隊採用這種新型墨水，以3D打印出來的陶瓷前驅體，既柔軟且富彈性，可以拉伸至超過原來材料長度的三倍。這些柔韌且可拉伸的陶瓷前驅體，為製造一些複雜形狀，例如摺紙結構創造了條件。通過適當的高温處理，就可以製造出形狀複雜的陶瓷。

這項研究是由城大副校長（研究及科技）及機械工程學講座教授呂堅教授帶領，呂教授是一名出色的材料科學家，研究範疇包括納米及先進材料的製備，和表面工程仿真模擬設計。

在成功研發出彈性的前驅體這一基礎上，研究團隊更取得了另一項突破，就是開發了兩種4D 陶瓷打印方法。

4D打印是指在傳統3D打印的基礎上，增加一個時間維度作為第四維度；當3D打印物體的形狀和結構，在一定的外部刺激下，例如機械力、温度或磁場，就可以隨着時間而自我變形或自我組裝。

在這項研究中，團隊利用拉伸了的前驅體的彈性勢能來變形。當拉伸的陶瓷前驅體彈性能量被釋放時，它會進行自我變形。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，具有很高的抗壓强度，可以達到547 MPa（密度約 1.6 g cm-3），而且相比一般的打印陶瓷，它能容許大尺寸和高強度兩者並存。

呂教授說︰「整個系統聽起來好像很簡單，但事實並非如此。從製作墨水到開發整套打印系統，我們嘗試了無數次及使用不同的方法。就像在蛋糕上擠奶油一樣，有很多因素影響結果，從奶油種類、唧嘴大小、擠壓速度和力度，以至溫度，都可以產生影響。」

歷時逾兩年半，團隊最終克服了現有材料的局限性並開發出整套4D打印陶瓷系統。

在第一種成型方法中，團隊首先用新型陶瓷墨水印製3D陶瓷前驅體和基底，然後將基底放在雙軸拉伸裝置上進行拉伸，再在拉伸了的基底上打印接連陶瓷前驅體的連接點，之後把陶瓷前驅體放上去，由電腦程式控制時間和釋放拉伸了的基底，整個結構便會屈曲成預設的形狀。

在第二種方法中，團隊將設計圖案直接打印在已拉伸的陶瓷前驅體上。前驅體在電腦程式控制下被釋放，就會進行自我變形。

_{全球首個4D打印陶瓷發明。}

這項創新發明剛在最新一期的頂級學術期刊《科學進展》(Science Advances)上發表，標題為〈彈性體衍生的摺紙陶瓷和4D打印陶瓷〉(Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures)。所有研究團隊的成員均來自城大，包括研究助理劉果博士、高級副研究員趙岩博士和研究員吳戈博士。

呂教授說︰「憑藉陶瓷前驅體多樣化的變形能力，它的應用範圍可以很廣。」當中一項重要的應用將是電子產品。陶瓷材料在傳輸電磁訊號方面較金屬材料更優越，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，將可以為消費者度身訂做獨一無二的陶瓷手機背板。

此外，這項創新發明可以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，可製作推進部件應用在航空業上。」

憑藉材料和4D打印技術的突破，呂教授表示下一步是提高材料的機械性能，例如減低其脆性。

此項研究獲得國家自然科學基金委員會重大項目、香港大學教育資助會的協作研究金和主題研究計劃支持。它亦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；並且獲得廣東省科學技術廳和深圳市科技創新委員會的資助。