2D / 3D / 4D增材製造的科研進展

 

製備出形狀複雜、性能優良、適用于不同應用的材料，一直是材料科學家和工程師的研究重點。城大的科學家繼開發了全球首創的超納雙相合金和全球首套4D打印陶瓷技術後，目前正致力結合這兩項尖端技術，以製造輕質、高強度金屬材料，以應用於生物醫學、航空工業和太空探索。

3D打印技術又稱增材製造，由於能夠以低成本製備形狀複雜的組件，在製造、建築、生物醫學以及航空航天等不同工業，獲廣泛應用。然而，部分應用仍有所限制，例如醫用植入物的運動部件， 3D打印而成的金屬材料容易出現金屬疲勞、耐磨性欠佳，最終可能要進行第二次手術更換有關植入物。

結合兩項尖端技術

城大機械工程學系講座教授、國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心和先進結構材料研究中心主任呂堅教授，是金屬和陶瓷材料力學性能的專家。他領導的團隊正研發一套具開創性的2D / 3D / 4D增材製造系統，以製備各種力學性能理想的金屬基材料，滿足不同應用的需求。

呂教授說：「透過結合雙相納米結構和4D打印這兩項創新技術，以探索任何可能出現、非同尋常的力學或超材料性能，是值得探索的方向。」呂教授同時兼任「納米材料與力學聯合實驗室」主任，該聯合實驗室由中國科學院金屬研究所（IMR）和城大共同設立, 在2019年中科院-香港聯合實驗室評估中獲得優秀成績，並獲得香港的大學教育資助委員會的專項支持。2020年，該聯合實驗室獲國家科技部支持，在香港城市大學深圳研究院組建瀋陽材料科學國家科學研究中心大灣區研究部，由呂教授出任主任。

此前，他領導的團隊便成功開發了全球首創的超納雙相鎂合金材料，透過先進的雙相納米結構調控技術，他們克服了現有金屬結構材料高強度與高延展性無法兼容的局限性。團隊研發的新型材料的強度，較現有的鎂合金晶態材料高出十倍，並具有超強的變形能力，較鎂基金屬玻璃高兩倍。有關研究成果在國際頂尖科學學術期刊《自然》上發表封面文章，是中國科學家首次在該刊就結構材料領域研究發表的封面文章，並獲中國自然科學基金委選為基金會會刊（季刊）的封面成果。

團隊亦開發了全球首套4D打印陶瓷技術，以新型3D技術打印出來的陶瓷前驅體可以拉伸，儲存在內的彈性能量，使它可以隨著時間自行變形，而且所製備出來的陶瓷結構堅固，具有高比強度（specific strength）。

 

製造理想的植入材料

團隊現時進行的研究項目，便結合這兩種頂尖技術。他們將首先開發2D / 3D / 4D製造系統，以製備形狀複雜的金屬基材料，特別是用於生物醫學和輕型結構應用的材料。 由於鈦基合金一向被視為是理想的植入材料，因此團隊會先集中制備超納米3D打印鈦基合金，並探討其力學性能。

「透過運用我們研發的4D打印、製備超納米材料以及製造表面納米結構材料方面所獲得的知識和技術，我們將進一步研究3D打印的鈦基合金和其他金屬材料，以提高其抗疲勞性能。我們希望為醫用植入物和航空航天工業開發高強度和耐磨的輕質金屬材料。」呂教授續稱。  

 

團隊亦會研究不同「後處理技術」如提高耐疲勞性的表面機械研磨處理（SMAT），以及增強耐磨性的物理氣相沉積（PVD），對打印材料的力學性能的影響。其中，SMAT是一種表面納米結晶技術，由呂教授聯同中國科學院金屬研究所前所長盧柯院士首先提出，以大功率超聲波振動，使數以百計小硬珠高速撞擊材料表面，來增強金屬合金的耐磨及抗疲勞性能。 

醫學應用的生物傳感器

團隊的另一目標是建立3D打印金屬材料的數據庫，詳細列出各種材料的力學性能、微觀結構、處理工序和潛在應用。呂教授說：「對開發新型材料和探索嶄新應用的材料研究人員和工程師來說，這個數據庫將會有極大幫助。我們希望數據庫能促進金屬材料在不同領域的應用，從而造福社會。」  

 

除了3D打印技術外，呂教授及其團隊還致力於功能性貴金屬材料的研究。值得一提的是，他們最新開發、基於超靈敏表面增強拉曼光譜（SERS）的生物傳感技術。這項技術可應用於不同領域，如抗生素檢測和確保食品和化妝品安全等。他們正研究利用這項技術作為2019冠狀病毒病、癌症和心腦血管疾病的快速檢測，以及糖尿病無創檢測的可行性。 

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