原标题：Adv. Mater.: 4D增减材复合制作形状回忆陶瓷完成高精度杂乱结构

  Adv. Mater.: 4D增减材复合制作形状回忆陶瓷完成高精度杂乱结构

  陶瓷等高温结构资料的开展因其极高的熔点和构建杂乱结构的难度而受到限制。弹性体衍生陶瓷的四维 (4D) 打印在陶瓷的几许灵活性上获得打破。但是，陶瓷 4D 打印体系的使用受限于耗时繁琐的形状改变（变形）和资料改变（蜕变）独立分步的工艺进程、低精度的4D变形机制/3D结构特征/2D外表上的质量、及低热功用的SiOC基陶瓷。此外，现有4D打印技能制备的陶瓷资料的形状不能产生显着的改变，而现有形状回忆陶瓷的研讨受限于低资料普适性、低几许灵活性、小结构尺度、及低形状回忆功用灵活性。

  为了处理上述许多难题，该研讨提出了4D增减材复合制作形状回忆陶瓷的新范式，该范式完成了一步式变形蜕变4D打印陶瓷，兼具高2D/3D/4D精度、高效率、及大尺度；研制了具有初始/反向、全体/部分多形式形状回忆功用的微观尺度形状回忆陶瓷；提高了所打印杂乱网格轻质结构SiOC基陶瓷资料的火焰烧蚀功用。该研讨有望拓宽高温结构资料在航空航天、3C电子、生物医疗、和艺术等范畴的使用。

  受中国传统陶艺启示，使用陶瓷前驱体资料的易加工性，集成了陶瓷4D打印体系与减材制作、异质工程、外表工程等技能，提出了4D增减材复合制作陶瓷的新概念。

  打破了从前4D打印陶瓷技能的局限性，探求了根据非触摸式鼓励的一步式变形蜕变4D打印陶瓷机制。

  验证了批量化高速高精4D打印陶瓷的可行性，有望将单个样品的制备控制在一分钟内。

  打破了陶瓷打印范畴高3D结构精度与大尺度不行兼得的难题，十厘米级陶瓷最小特征尺度可达十微米级。

  研制了4D打印形状回忆陶瓷技能，完成了全体/部分、初始/反向多形式形状回忆功用，建立了智能化控材控形控性战略。

  经过4D打印全陶瓷叶盘模型验证了高4D变形精度、大尺度、杂乱结构形状回忆陶瓷资料制备的可行性。

  研制了根据高能束或机械研磨的2D/3D/4D前驱体抛光技能，化陶瓷抛光为前驱体抛光，化曲面抛光为平面抛光，并使用前驱体在陶瓷化进程随同的缩短效应，改进了3D/4D打印范畴都会存在的台阶效应，为高2D外表上的质量、杂乱形状陶瓷资料的制备供给了新思路。在全陶瓷叶盘模型演示中，经过机械研磨和激光抛光，曲面陶瓷叶片的外表粗糙度别离降低了65%和37%，有助于延伸叶片的使用寿命。

  针对SiOC非晶陶瓷资料高温使用受限的痛点，探求了原子层堆积（ALD）技能对3D/4D打印杂乱网格轻质结构SiOC基陶瓷资料火焰烧蚀功用的提高效果机制，拓宽了杂乱结构SiOC基陶瓷资料的高温使用远景。

  该作业使用ALD技能在3D/4D打印杂乱网格结构SiOC基陶瓷资料的外表制备Al2O3涂层。效果机制分为以下四个方面：

  榜首，Al2O3为六方细密结构，可有用隔绝外界氧气往基体内部分散，防止SiOC氧化；

  第二，当SiOC用于航空发动机要害构件，会产生水氧腐蚀现象，原理是SiOC会与氧气产生，构成SiO2，而SiO2会与发动机燃料焚烧构成的水蒸气产生反响，构成Si(OH)2挥发物。而Al2O3比SiOC具有更高的耐水氧腐蚀功用；

  第三，Al2O3会与SiO2反响构成莫来石（3Al2O3·2SiO2），莫来石具有高熔化温度（1910℃）和低导热系数（≤0.35 W/(m·℃)），可作为热障涂层；

  第四，ALD技能能保证Al2O3涂层在3D/4D打印陶瓷外表的全方位均匀掩盖，在打印结构的外外表和网格内部丝材外表上都均匀构成了富Al2O3层，其对杂乱结构SiOC资料的全方位维护是物理气相堆积（PVD）等传统技能很难完成的。

  因而，该研讨的3D/4D 可打印杂乱结构SiOC基陶瓷也表现出反常的高火焰烧蚀功用。Al2O3堆积的纳晶-非晶双相（NCADP）陶瓷网格的火焰烧蚀功用显着高于未受原子层堆积的对应物。在1400 ℃的火焰烧蚀实验（1分钟）中，Al2O3堆积的AlON–SiOC NCADP陶瓷网格表现出的耐热性，是典型热障涂层（TBC）增强的IN718合金块材的6倍。所制备的陶瓷网格的均匀密度为1.2-1.9 g cm-3，是TBC增强的IN718合金块材的16%-25%。所制备的Al2O3堆积的NCADP陶瓷可在高达1500 ℃的火焰烧蚀实验（1 分钟）中坚持其网格结构，其实验前后的比质量改变只要0.9 mg cm-2。

  该作业初次完成了4D增减材复合制作陶瓷，亦初次完成了4D打印形状回忆陶瓷。该作业提出的4D增减材复合制作形状回忆陶瓷技能可完成高精度（十微米级），大尺度（十厘米级），超快的前驱体改变为陶瓷的速度（几秒钟内），以及前驱体资料的快速制作（批量生产能力），有力推动了陶瓷4D打印技能的潜在使用开展，有望使用于航空航天（全陶瓷全体涡轮叶盘、可变形热防护体系，太空折叠体系，在轨制作和修正，原位太空打印和殖民等）、3C电子（可折叠陶瓷手机背板、微机电体系等）、生物医疗（生物植入物等）、和艺术（文物研讨和修正、首饰、装饰品等）等范畴。

  此项研讨获广东省科学技能厅广东省要点范畴研制方案、深港科学技能立异协作区深圳园区项目、香港研讨赞助局博士后奖学金方案、长沙市科学技能局严重专项、香港立异科技署（经过国家贵金属资料工程技能研讨中心香港分中心）、香港研讨赞助局杰出学科范畴方案等单位及项目的支撑。