具有復(fù)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(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，固有脆性和剛性的樹脂基陶瓷前驅(qū)體難以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)層次跨越不同尺度的陶瓷構(gòu)件，進而限制了復(fù)雜陶瓷器件的高精度制造。而柔性聚合物陶瓷前驅(qū)體的變形能力為實現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)陶瓷提供了一種理想選擇，但現(xiàn)有的陶瓷前驅(qū)體柔韌性和重構(gòu)性差。為此，發(fā)展可3D打印的新型柔性陶瓷前驅(qū)體對制造復(fù)雜的無支撐、大跨度結(jié)構(gòu)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實驗室3D打印摩擦器件組在采用3D打印柔性水凝膠前驅(qū)體制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷方面取得重要進展。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(fù)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(tǒng)陶瓷制造中因脆性和剛性導(dǎo)致的形狀復(fù)雜性和尺寸收縮問題，展示了在立體電路、生物醫(yī)學(xué)和功能催化等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。

該團隊受折紙／剪紙藝術(shù)啟發(fā)，以水性無機粘結(jié)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(yīng)性、抗疲勞性且可二次變形的水凝膠柔性骨架；依次經(jīng)過脫水干燥、低溫脫脂和高溫?zé)Y(jié)等步驟，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)（圖1）。設(shè)計的柔性水凝膠基陶瓷前驅(qū)體能夠?qū)崿F(xiàn)從平面形狀到3D立體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，突破了傳統(tǒng)硬質(zhì)／脆性陶瓷前驅(qū)體來制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的局限。

圖1．　光固化3D打印水凝膠柔性前驅(qū)體輔助制造復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的方案

生活中常見的大跨度懸空結(jié)構(gòu)很難通過傳統(tǒng)的光固化3D打印實現(xiàn)。為此，研究人員進一步探索了將柔性的二維水凝膠形狀（如圓柱形、線狀、彈簧和漩渦）經(jīng)過擠壓、編織、扭曲和拉伸等連續(xù)變形，可重新塑造成具有多尺度和大跨度的復(fù)雜三維立體結(jié)構(gòu)（如燈籠、中國結(jié)、彈簧卷和螺旋）（圖2）。

圖2．　水凝膠柔性前驅(qū)體輔助制造的無支撐、大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷器件

基于此方法，研究人員還可制造無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，可按需或個性化制造具有顱骨缺損形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)骨缺陷部位修復(fù)。制造的陶瓷結(jié)構(gòu)還可結(jié)合表面改性策略創(chuàng)造性設(shè)計制備高性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)催化陶瓷器件，具有優(yōu)良的催化活性和穩(wěn)定性。研究人員還進一步拓展了這種方法在三維電路、生物醫(yī)用及功能催化領(lǐng)域的潛在應(yīng)用（圖3）。

圖3．　新型陶瓷結(jié)構(gòu)在立體電路、生物醫(yī)用及功能催化領(lǐng)域的應(yīng)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、蘭州化物所重點培育項目和甘肅省科技計劃等項目的支持。