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《Chemical Engineering Journal》:通过4D打印陶瓷前驱体制备复杂结构陶瓷,用于传感和驱动应用

《Chemical Engineering Journal》:通过4D打印陶瓷前驱体制备复杂结构陶瓷,用于传感和驱动应用

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-02-14 16:02
  • 访问量:

【概要描述】

《Chemical Engineering Journal》:通过4D打印陶瓷前驱体制备复杂结构陶瓷,用于传感和驱动应用

【概要描述】

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2022年12月1日,香港城市大学吕坚院士团队与哈尔滨工业大学孟松鹤教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表题为Lightweight and geometrically complex ceramics derived from 4D printed shape memory precursor with reconfigurability and programmability for sensing and actuation applications的研究论文,报道了一种具有可重构性和形状记忆效应的陶瓷前驱体复合材料,开发出实现制造几何复杂陶瓷的创新方法。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140655

研究简介

由于3D打印陶瓷具备在各种工程应用中实现几何复杂形状的可行性,人们对陶瓷的增材制造(AM)工艺越来越感兴趣。聚合物源陶瓷(PDCs)是由聚合物陶瓷前驱体热解而成,具有易加工、设计灵活、烧结温度相对较低等优点,是一种具有竞争力的陶瓷AM材料。然而,预陶瓷聚合物的功能还远远没有得到充分利用,这限制了3D打印陶瓷的发展和应用。

本研究在此基础上,合成了一种具有可重构性和形状记忆效应的多功能预陶瓷聚合物复合材料。通过调整材料组成,适用于4D打印的前驱体墨水被热解成轻质自成形陶瓷,从而可以制造复杂的几何形状。
预陶瓷聚合物经历逐步的部分到完全交联过程,形成互穿聚合物网络,从而可重构,打印部件可以转化为具有更高复杂性的形状。与具有静态形状的传统前驱体不同,这里的前驱体具有形状记忆能力(Tg~95°C)。在烧结过程中,3D打印前驱体可依次进行可编程活性形状转化,回收率高(-100 %),热解转化为轻质陶瓷(1.05 g/cm3)。通过探索所得陶瓷的半导体行为,利用重塑优势的温度传感器被设计成在宽范围(25-750°C)内检测表面,具有良好的一致性。用于制备复杂陶瓷结构的4D打印可重构和可编程前驱体的开发,丰富了陶瓷的复杂性和自成形能力,使其能够应用于智能热敏电阻和可展开结构。

研究内容解读

具有复杂几何形状的陶瓷在各个领域都有很高的要求,类似电子、航空航天、汽车、能源和生物工程领域。3D打印增材制造(AM)是目前制造复杂陶瓷部件的最先进技术。聚合物源陶瓷(PDCs)由聚合物前驱体裂解而成,由于其易加工、前驱体分子可设计性好、烧结温度较低、耐化学性好等优点而得到了广泛的研究。聚合物前驱体的打印为高几何复杂度陶瓷的制备提供了一种理想的方法。与聚硅氮烷和聚碳硅烷等固有的脆性预陶瓷聚合物相比,软前驱体因易变形而越来越受到关注。
同时,PDCs热解后的形状与3D打印聚合物前驱体相同,均为静态。有的研究人员利用各向异性体积收缩实现烧结过程中的形状转变,有的研究人员采用重力驱动方法从简单的绿体结构制备自成形陶瓷。如果可编程的自成形行为可以与3D打印前驱体集成,它将丰富前驱体的环境响应性,并进一步促进定制复杂陶瓷的制造。
3D打印前驱体的主动形状变化也为目前的前沿技术4D打印提供了更多可能性,4D打印使3D打印的静态结构可以由外部刺激触发。形状记忆聚合物(SMPs)是一类重要的智能材料,它可以被编程成临时形状,并在特定刺激下恢复其原始形状。由于其独特的形状记忆效应(SME), 4D打印SMPs被广泛用于构造具有主动变形行为的构件。然而,目前不可编程的静态预陶瓷聚合物阻碍了3D打印向4D打印的发展。因此,开发可编程3D打印预陶瓷聚合物的优化重构方法对制备具有复杂形状的先进自成形陶瓷具有重要意义。
本研究提出了一种利用4D打印可重构和可编程形状记忆前体,从而实现制造几何复杂陶瓷的创新方法。通过调整预陶瓷聚合物的组成,精细地调节它们以适合DIW。预陶瓷聚合物经过两步固化过程,以实现互穿聚合物网络(IPNs)的最终形状。第一固化阶段的初始形状可以很容易地重新配置为另一个,并在第二固化阶段后保持其新形状,无需额外的工具。通过这种可行的方法,可以设计并容易实现难以直接打印的高度复杂前驱体结构。此外,具有固有形状记忆能力的可编程前驱体能够在热解过程中自我转化为设计形状,并成为轻质陶瓷部件。
这种策略不仅使打印结构具有所需的主动形状转变,而且SME还促进了预陶瓷聚合物在热解前以折叠形状存储以节省体积。基于这种方法,我们进一步研究了在较宽的温度范围内所得到的PDCs的耐热性半导体性能。并论证了可重构性在构造轻型共形温度传感器中的优越性。预陶瓷聚合物的形状记忆效应证明了其作为可编程自展开结构在航空航天应用中的潜力。4D打印可重构和可编程前体的研究将极大地扩展复杂陶瓷制造的发展,并扩展到其他陶瓷基材料。

图1 由可重构和可编程陶瓷前驱体制造复杂PDC的示意图。

图2 与3D打印兼容的陶瓷前驱体的合成方法及性能。

图3 热响应形状记忆行为和从4D打印前驱体到几何复杂陶瓷的说明。

图4 聚合物到陶瓷的转变及其性质。

——END——

4D打印”可以简单的理解为“3D打印+时间”:由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下随着时间发生形状或者结构的改变。实现”4D打印“对打印工艺提出了更高的要求,而奇遇科技团队所推出的DIW3D打印机则具备实现高效4D打印的独家软件系统和高端硬件条件,个性化且简单的操作系统让科研人员快速上手,高效推进科研进度。

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