Ett forskarlag vid City University of Hong Kong (CityU) har uppnått ett banbrytande framsteg inom materialforskning genom att framgångsrikt utveckla världens första 4D-utskrift för keramik, som är mekaniskt robusta och kan ha komplexa former. Detta kan vända en ny sida i den strukturella tillämpningen av keramik.

Keramik har en hög smältpunkt, så det är svårt att använda konventionell laserutskrift för att göra keramik. De befintliga 3D-tryckta keramiska prekursorerna, som vanligtvis är svåra att deformera, hindrar också produktionen av keramik med komplexa former. För att övervinna dessa utmaningar, CityU-teamet har utvecklat ett nytt "keramiskt bläck, " som är en blandning av polymerer och keramiska nanopartiklar. De 3-D-tryckta keramiska prekursorerna tryckta med detta nya bläck är mjuka och kan sträckas tre gånger längre än sin ursprungliga längd. Dessa flexibla och töjbara keramiska prekursorer tillåter komplexa former, såsom origamivikning. Med rätt värmebehandling, keramik med komplexa former kan göras.

Teamet leddes av professor Lu Jian, ordförande professor i maskinteknik, som är en framstående materialvetare med forskningsintressen som sträcker sig från tillverkning av nanomaterial och avancerade strukturmaterial till beräkningssimulering av ytteknik. Med utvecklingen av de elastiska prekursorerna, forskargruppen har fått ytterligare ett genombrott genom att utveckla två metoder för 4-D-utskrift av keramik.

4-D-utskrift är konventionell 3-D-utskrift kombinerat med det extra tidselementet som den fjärde dimensionen, där de tryckta föremålen kan omforma eller självmontera sig över tiden med yttre stimuli, såsom mekanisk kraft, temperatur, eller ett magnetfält. I denna forskning, teamet använde sig av den elastiska energin som lagrats i de sträckta prekursorerna för formmorfning. När de sträckta keramiska prekursorerna släpps, de genomgår självomformning. Efter värmebehandling, prekursorerna förvandlas till keramik.

Den resulterande elastomer-härledda keramiken är mekaniskt robust. De kan ha ett högt förhållande mellan tryckhållfasthet och densitet (547 MPa på 1,6 g cm-3 mikrogitter), och de kan komma i stora storlekar med hög hållfasthet jämfört med annan tryckt keramik.

"Hela processen låter enkel, men det är inte, " sa professor Lu. "Från att tillverka bläcket till att utveckla utskriftssystemet, vi försökte många gånger och olika metoder. Som att pressa glasyren på en tårta, det finns många faktorer som kan påverka resultatet, allt från typen av kräm och storleken på munstycket, till hastigheten och kraften av att klämma, och temperaturen."

Det tog mer än två och ett halvt år för teamet att övervinna de befintliga materialens begränsningar och att utveckla hela 4-D keramiska utskriftssystemet.

I den första formningsmetoden, en 3-D-tryckt keramisk prekursor och substrat trycktes först med det nya bläcket. Substratet sträcktes med hjälp av en biaxiell sträckningsanordning, och skarvar för anslutning av prekursorn trycktes på den. Prekursorn placerades sedan på det sträckta substratet. Med datorprogrammerad kontroll av tiden och frigörandet av det sträckta substratet, materialen förvandlades till den designade formen.

I den andra metoden, det designade mönstret trycktes direkt på den sträckta keramiska prekursorn. Den släpptes sedan under datorprogrammeringskontroll och genomgick självförvandlingsprocessen.

Innovationen publicerades i det senaste numret av top akademisk tidskrift Vetenskapens framsteg under titeln "Origami och 4-D-utskrift av elastomer-härledda keramiska strukturer." Alla forskargruppsmedlemmar är från CityU, inklusive Dr Liu Guo, Forskningsassistent, Dr Zhao Yan, senior forskarassistent, och Dr Wu Ge, forskarassistent.

"Med den mångsidiga formformningsförmågan hos de tryckta keramiska prekursorerna, dess tillämpning kan vara enorm, " sa professor Lu. En lovande tillämpning är elektronik. Keramiska material har mycket bättre prestanda vid överföring av elektromagnetiska signaler än metalliska material. Med ankomsten av 5G-nätverk, keramiska produkter kommer att spela en viktigare roll vid tillverkning av elektroniska produkter. Keramikens konstnärliga karaktär och dess förmåga att forma komplexa former ger också möjlighet för konsumenter att skapa anpassade keramiska bakplåtar för mobiltelefoner.

Vidare, denna innovation kan tillämpas inom flygteknik och rymdutforskning. "Eftersom keramik är ett mekaniskt robust material som tål höga temperaturer, den 4-D-tryckta keramiken har stor potential att användas som en framdrivningskomponent inom flyg- och rymdområdet, " sa Prof Lu.

Rider på genombrottet inom material- och 4-D-utskriftsteknikens framsteg, Prof Lu sa att nästa steg är att förbättra materialets mekaniska egenskaper, som att minska dess sprödhet.