读创/深圳商报记者  王海荣

△香港城市大学副校长、香港城市大学深圳研究院院长、先进结构材料研究中心主任吕坚与团队成员代表展示4D打印的陶瓷结构。（受访者  供图）

“我们的研究可以让3D打印出来的陶瓷前驱体，在第四维度内，实现可编程控制的自主变形。”

8月的最后一天，正在北京参加会议的香港城市大学副校长、香港城市大学深圳研究院院长、先进结构材料研究中心主任吕坚向国家自然科学基金委员会汇报了自己研发项目的最新进展。他的报告激起了与会专家的浓厚兴趣。

回到香港后一周内，吕坚又马不停蹄地接受了美联社、俄罗斯国际电视台、德国杂志的密集采访。外界关注的焦点都是他率领的团队研发的这项4D打印新成果。

“目前这项研究已经有四项专利被美国专利局受理，被业界认为或将开启陶瓷结构应用的新篇章。”9月13日，吕坚教授接受读创/深圳商报记者采访时透露，这种新型材料在电脑、通讯和消费电子等3C产品、航天器零部件特别是航空发动机制造等方面，拥有很大应用潜力。

▎何为“4D打印”？

今年8月，吕坚率领的研究组在全球首次实现陶瓷4D打印的研究成果以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题，发表在权威学术期刊《科学》（Science）旗下子刊《科学进展》（Science Advances）上。

根据这项技术打印出的陶瓷坚固且拥有复杂的形状，凭借“陶瓷墨水”的变形能力和优异的电磁信号传输能力，有望在电子和航空航天领域大展拳脚。同时，由于陶瓷是一种能承受高温的机械强度高的材料，4D打印陶瓷有很大潜力用作航空航天的高温复杂形状结构部件。

与大众相对熟悉的3D打印技术相比，4D打印里多出的一个“D”到底为何物？

D是英文“Dimension”的简称，即“维度”的意思，3D是指前后、左右、上下三个方向的维度。在电脑程序辅助下将材料以逐层添加的方式将一个物品在这个三维空间中制造出来的过程就是3D打印，3D打印出来的部件是静态的。

而4D打印中的第四个D，就是第四个维度，即被3D打印出来的物体不需要连接任何复杂的机电设备，会随着时间以及周遭环境，尤其是温度、湿度、电磁等的变化，而发生形体、性能的改变。

△陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，预应力被释放时，会发生4D变形。图为打印出来的螺旋带状结构。 （受访者  供图）

“4D是基于3D打印的创新，采用这种技术打印出来的材料会按照提前预设的程序，在设定的时间，或者达到温度要求后，发生自主变形，而且这个变化是可编程控制的变化。”吕坚解释说，3D打印是预先建模再打印出成品，而4D打印是把产品设计通过打印机嵌入可以变形的智能材料中，在特定时间或激活条件下，无需人为干预，也不用通电，便可按照事先的设计进行自我组装。当3D打印中使用的材料具有记忆性和可编程性时，这种3D打印物品和技术就可被称为4D打印。

据了解，4D打印概念成型于2013年前后，其流程是首先对材料进行编程，使其能够对某些刺激做出反应，比如冷、热和湿度，再把这样的材料用3D打印机打印出来。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。这些物质中的粒子形成纽带，4D打印产品可以自动适应外部变化，进行自我修复。

▎为何选择结构陶瓷作为实验对象？

在千千万万的材料中，有一类叫结构材料，主要利用其强度、硬度、韧性等机械性能，制作各种材料。金属作为结构材料一直被广泛使用。但由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。结构陶瓷出现后，凭借优越的强度、硬度、绝缘性，以及耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗等特色，使其在材料工业上倍受瞩目。特别工业界对于高精密度、高耐磨耗、高可靠度机械零组件或电子元件的要求日趋提高，使得陶瓷产品的市场需求被看好。

正是看好材料陶瓷的应用前景，吕坚的团队选择了这种材料作为研发的对象。

吕坚介绍说，3D打印的陶瓷前驱体材料通常较难发生自变形，限制了陶瓷4D打印的发展。

为了突破这项技术，研究人员从材料出发，开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体。

应用这种墨水打印出的陶瓷前驱体不仅是软的，而且具有弹性，可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度，这为4D打印提供了自变形组装的可能。这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，从而逐步实现打印陶瓷折纸结构和4D打印陶瓷。

“我们采用了墨水直写打印这种成本较为低廉的打印方式，用二氧化锆纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷复合材料作为墨水，构建弹性体3D结构，然后在氩气或真空中进行热处理，得到一级陶瓷，并在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。”

这个融合了深港两地科研创新人员的科研团队共有十多名科研人员，包括刘果、赵岩、吴戈等多名博士。整个项目得到了国家自然科学基金委、香港大学教育资助会、香港创新科技署、广东省科学技术厅和深圳市科创委等机构的支持，前后经过了两年半的努力。

▎释放的预应力让陶瓷像折纸一样“蝶变”

△采用新技术打印的蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰和裙子形状的陶瓷折纸结构（受访者  供图）

坚硬易碎的陶瓷竟然可以像折纸一样任意变形？

在研发过程中，科研人员首先实现了陶瓷折纸结构。通过例如弯曲、扭转和拉伸等一些基本负载模式，证明了打印弹性体的柔性和可拉伸性，为复杂折纸变形提供了可能。在此基础上，科研人员开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。

在第一种方法中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将3D打印的基底在两个方向进行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用于连接基底和其上的3D打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成4D打印的弹性体结构，热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。

另一种打印方法同样神奇。陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生4D变形。

“陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉升方向的夹角等。”吕坚解释说，这就相当于给打印材料的动作提前编程，然后让材料按照预设的程序进行变形。

▎新技术有望在深圳3C产业中率先落地

采用“3D打印弹性体-自变体-陶瓷化”制作的新型材料究竟有何作用？

吕坚表示，当需要制造一系列相似形状的陶瓷时，这种4D打印的概念就会体现出独特的优势。因为只需要一个相对简单的图纸设计，科研人员就可以衍生出一系列的形状上相似，且连续可变的结构。而传统的3D打印只能一个图纸设计对应一个结构。这一特点能够让定制设计如虎添翼，为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供了广阔的空间。

在具体的应用行业上，吕坚认为在3C产业中的推广应用最被看好。

  △采用新技术打印的陶瓷手机背板（受访者  供图）

他以电子设备行业为例，因为。目前手机基本都是金属外壳，但未来5G时代，由于电磁信号问题，手机外壳更倾向于选择玻璃、陶瓷、塑料三种材质。由于塑料材质的手机基本无法用于高档机，所以未来的高端手机上会多采用双面玻璃或玻璃和陶瓷的材质。此外，相较于金属，陶瓷材料颜值高、质感佳，而且还有不易变形，耐磨防刮，耐化学腐蚀等优点。

“但陶瓷材料熔点极高，较难加工成型，所以目前陶瓷产品的应用受到了技术和成本上的极大限制。”

在此次研发过程中，吕坚与科研人员曾打印了一个陶瓷手机背板，相较于注塑成型等传统的陶瓷成型工艺，他们的技术更易实现个性化定制，尤其在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上。

“而且我们还可以实现超复杂精细结构，在陶瓷手机背板和中框，陶瓷手表的表壳、表圈、链条等产品中都具有应用前景。”吕坚说。

▎新型材料也能飞上太空展拳脚

同时兼任深圳市航空航天材料重点实验室主任的吕坚也看好这种新材料在航空航天领域的应用。

吕坚表示，采用“3D打印弹性体-自变体-陶瓷化”制作的新型材料可以成为未来航空发动机叶片的材料，制造复杂形状的陶瓷或者高温合金零部件。

他解释说，在此次研究中提出的“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，用于陶瓷前驱体的硅胶基质纳米复合材料可以进一步推广到其他两相或多相材料系统中，这种方法开辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难溶材料的一个新工艺，有望用在航空发动机上。

“作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力，可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驱体可以在地面上被折叠以节省空间，然后到太空后展开为需要的结构。”吕坚说。