科研進(jìn)展
蘭州化物所采用3D打印柔性水凝膠前驅體制備復雜結構陶瓷研究獲新進(jìn)展
具有復雜幾何形狀的聚合物衍生陶瓷在航空航天、環(huán)境科學(xué)和生物醫學(xué)等工程領(lǐng)域具有重要的應用價(jià)值。然而，固有脆性和剛性的樹(shù)脂基陶瓷前驅體難以實(shí)現結構層次跨越不同尺度的陶瓷構件，進(jìn)而限制了復雜陶瓷器件的高精度制造。而柔性聚合物陶瓷前驅體的變形能力為實(shí)現大跨度結構陶瓷提供了一種理想選擇，但現有的陶瓷前驅體柔韌性和重構性差。為此，發(fā)展可3D打印的新型柔性陶瓷前驅體對制造復雜的無(wú)支撐、大跨度結構陶瓷器件至關(guān)重要。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗室3D打印摩擦器件組在采用3D打印柔性水凝膠前驅體制備復雜結構陶瓷方面取得重要進(jìn)展。該團隊發(fā)展了利用3D 打印水凝膠柔性骨架輔助高幾何復雜性、高打印精度和形狀保真度陶瓷成形的新方案，解決了傳統陶瓷制造中因脆性和剛性導致的形狀復雜性和尺寸收縮問(wèn)題，展示了在立體電路、生物醫學(xué)和功能催化等領(lǐng)域廣泛的應用前景。
該團隊受折紙／剪紙藝術(shù)啟發(fā)，以水性無(wú)機粘結劑磷酸二氫鋁（AP）溶膠為水凝膠單體分散介質(zhì)，將水凝膠單體和納米陶瓷粉體混合來(lái)制備光敏性水凝膠陶瓷漿料；利用光固化3D打印獲得具有優(yōu)異的延展性、形狀適應性、抗疲勞性且可二次變形的水凝膠柔性骨架；依次經(jīng)過(guò)脫水干燥、低溫脫脂和高溫燒結等步驟，實(shí)現了具有超低收縮、高陶瓷產(chǎn)率和形狀保真度的懸空大跨度陶瓷結構（圖1）。設計的柔性水凝膠基陶瓷前驅體能夠實(shí)現從平面形狀到3D立體結構的轉變，突破了傳統硬質(zhì)／脆性陶瓷前驅體來(lái)制造復雜陶瓷結構的局限。
圖1． 光固化3D打印水凝膠柔性前驅體輔助制造復雜陶瓷結構的方案
生活中常見(jiàn)的大跨度懸空結構很難通過(guò)傳統的光固化3D打印實(shí)現。為此，研究人員進(jìn)一步探索了將柔性的二維水凝膠形狀（如圓柱形、線(xiàn)狀、彈簧和漩渦）經(jīng)過(guò)擠壓、編織、扭曲和拉伸等連續變形，可重新塑造成具有多尺度和大跨度的復雜三維立體結構（如燈籠、中國結、彈簧卷和螺旋）（圖2）。
圖2． 水凝膠柔性前驅體輔助制造的無(wú)支撐、大跨度復雜結構陶瓷器件
基于此方法，研究人員還可制造無(wú)支撐且大跨度的陶瓷三維電路，且這種陶瓷三維電路能很好地點(diǎn)亮LED燈帶。此外，利用水凝膠柔性骨架的可變形性，可按需或個(gè)性化制造具有顱骨缺損形狀的陶瓷結構來(lái)實(shí)現骨缺陷部位修復。制造的陶瓷結構還可結合表面改性策略創(chuàng )造性設計制備高性能的復雜結構催化陶瓷器件，具有優(yōu)良的催化活性和穩定性。研究人員還進(jìn)一步拓展了這種方法在三維電路、生物醫用及功能催化領(lǐng)域的潛在應用（圖3）。
圖3． 新型陶瓷結構在立體電路、生物醫用及功能催化領(lǐng)域的應用
相關(guān)研究成果以“Sophisticated Structural Ceramics Shaped from 3D Printed Hydrogel Preceramic Skeleton”為題，發(fā)表在Advanced Materials（2024，36，2404469，https：／／doi．org／10.1002／adma．202404469）上。石河子大學(xué)聯(lián)培博士生徐昕為該論文第一作者，Institut Jacques Monod蔣盼博士、蘭州化物所劉德勝助理研究員和王曉龍研究員為通訊作者。
該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“西部之光”創(chuàng )新團隊、蘭州化物所重點(diǎn)培育項目和甘肅省科技計劃等項目的支持。
