出品：科普中國
作者：劉德勝 王曉龍（中國科學院蘭州化學物理研究所）
監制：中國科普博覽
編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰與驚喜的旅程。
粘土和水后柔軟、可塑，能夠被捏制、雕刻和塑形，再通過特殊的干燥和燒制工藝，使得泥土從可塑的狀態最終變成堅硬、耐用的陶器或雕塑品，再通過一種特殊的“烘焙”工藝，這種“泥土”就變成了堅硬的陶瓷。柔性水凝膠陶瓷前驅體就是這樣的一種“神奇泥土”，有了它，我們就解決了陶瓷制造復雜形狀的難題。
那么，我們如何制造出這種“神奇泥土”，又用什么方式將它“烘干”呢？
陶瓷離“高大上”，只差“變柔軟”
我們知道，陶瓷材料具有優異的高溫穩定性、耐腐蝕性、抗磨損性和良好的電絕緣性，這種優異的物理和化學性能也使陶瓷成為了制造許多日用品的材料。
圖片來源：veer圖庫
其實，除了做成家用的鍋碗瓢盆，優點多多的陶瓷完全可以在更多領域發揮作用，但太硬、太脆的特性限制了傳統的陶瓷材料（樹脂基陶瓷前驅體）在更多“高大上”的場景中得到應用。
首先，傳統陶瓷材料難以制造出復雜的形狀，尤其是在制造復雜幾何形狀和內嵌結構時存在顯著困難，這是因為陶瓷通材料常通過模壓、注漿成型和擠壓等方法加工。而陶瓷還需要經過高溫燒結才能獲得最終的機械性能，這一過程往往導致材料的收縮和變形，限制了復雜結構的精確制造。
第二，傳統陶瓷加工方法在制造高精度部件時，尺寸控制較為困難，特別是對于微小尺寸的部件。由于材料收縮和燒結過程中的不可控因素，往往難以實現高精度，而且傳統陶瓷燒結后往往需要進行二次加工（如研磨和拋光），這也大大增加了生產成本和復雜性。
此外，在傳統制備過程中，陶瓷材料還容易產生裂紋、氣孔和其他缺陷，這些缺陷會顯著降低材料的機械性能和可靠性，尤其在高精度、高強度的應用場景下，這些缺陷是不可接受的。
圖片來源：veer圖庫
為此，科學家們開始思考，能否開發出一種能在特定環境下改變形狀或性能的“神奇泥土”，讓陶瓷材料更大程度地發揮作用呢？
想要“剛柔并濟”，只需把陶瓷“摻”進水凝膠
想要制造這樣一種“神奇的泥土”并非易事，我們既需要它在成型階段像橡皮泥一樣柔軟易塑，又希望它在成型后卻像陶瓷一樣堅硬耐用。顯然，現有的材料很難滿足這樣矛盾的要求。
受到剪紙藝術以及智能材料的啟發，研究人員想到，柔性水凝膠就是一種具有一定的可變形性的材料，它能在加工或使用過程中展現出多樣化的性能。那么，能不能讓陶瓷結合這種材料的特性，使它像剪紙一樣被“裁”成我們需要的形狀呢？
中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室團隊一直從事3D打印水凝膠和陶瓷材料的研究工作，我們想將這兩種截然不同的材料結合起來，借助水凝膠的柔性，經過相變實現陶瓷的硬度，進而達到“以柔制剛”的理想效果。
然而，問題很快就顯現出來，水凝膠和陶瓷的物理性質差異巨大，導致材料很難在成型后保持穩定的結構，且存在較大的尺寸收縮和結構開裂問題。
為了能將兩種材料更好地結合，我們想到了團隊之前發表過的一項成果——利用水性無機粘結劑制造低溫燒結和超低收縮陶瓷的基本方法。于是，我們嘗試性地將水凝膠單體溶解到這種水性無機粘結劑中，并引入一定量的陶瓷粉體，制造出了一種具有可光固化性能的水性陶瓷漿料。
我們發現，將這種材料經過光固化后，再依次經過干燥、脫脂和燒結，可以制造出一種超低收縮的陶瓷，并且沒有開裂現象。這意味著，“神奇泥土”——柔性水凝膠陶瓷前驅體被成功研制了出來！
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
（圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所）
水凝膠前驅體的制備過程是怎么樣的呢？
1.以磷酸二氫鋁溶膠為分散介質，混合水凝膠單體和納米陶瓷粉體制備光敏性水凝膠陶瓷漿料。
2.將丙烯酰胺和丙烯酸等這樣的水凝膠單體、水溶性的引發劑LAP、氧化鋁和羥基磷灰石等納米陶瓷粉體與該團隊自己制備的磷酸二氫鋁溶膠混合來制備光敏性的水凝膠陶瓷漿料。水凝膠單體主要是賦予陶瓷漿料優異的光固化性能，磷酸二氫鋁溶膠不僅作為分散介質，還作為陶瓷的粘結劑。
這一研究成功結合了柔性與剛性，也為材料科學家提供了一種全新的思考方式——材料不再僅僅是單一特性的體現，而是可以通過多種特性的有機結合，實現更加復雜和廣泛的應用。
從平面到立體，3D打印陶瓷優勢多多
想要讓陶瓷得到更廣泛的應用，除了解決塑形的問題，我們還得考慮怎么讓“神奇泥土”變得堅硬。對此，研究人員想到了3D打印。
3D打印技術能夠運用一些可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造實體零件。如果能將其與柔性水凝膠陶瓷前驅體結合起來，我們就能夠打造出更復雜結構的產品或器件，使其適用于更多的應用場景。
具體來說，我們可以先利用光固化3D打印技術獲得具有優異延展性、形狀適應性和抗疲勞性的水凝膠柔性骨架。再經過脫水干燥、低溫脫脂和高溫燒結等步驟，使其變得質地堅硬，形成超低收縮、高陶瓷產率和形狀保真度的陶瓷結構。
這項技術在材料科學和制造技術上實現了三維復雜結構器件的制造重要突破，推動了新型陶瓷材料在多個領域的應用。
在醫學領域，柔性水凝膠陶瓷前驅體可以用于制造與患者解剖結構完全匹配的植入物，例如可以針對患者不同的顱骨缺損形狀，利用水凝膠柔性骨架的可變形性，個性化制造出陶瓷結構來實現骨缺陷部位修復。
在航天領域，它可以與其他功能性材料復合，制造復雜的航空航天結構件。陶瓷材料的高導熱性和耐熱性使其成為理想的散熱材料，可以制作電子元件，結合這項技術能夠制造出精確設計的散熱片，提升電子產品的性能和可靠性。此外，它還可以結合表面改性策略，制備具有優良的催化活性和穩定性的復雜結構催化陶瓷器件……
水凝膠柔性前驅體輔助制造的無支撐、大跨度復雜結構陶瓷器件
（圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所）
打破局限，優勢多多
柔性水凝膠基陶瓷前驅體與3D打印技術的結合，突破了傳統硬質或脆性陶瓷前驅體來制造復雜陶瓷結構的局限，帶來了許多優勢：
1.設計更自由，實現功能集成
由于柔性陶瓷前驅體在固化前具有一定的柔性，因此允許人們對其進行更復雜的設計和功能集成，如內部通道、蜂窩結構或多材料組合。3D打印可在保持高精度的同時，實現復雜的、定制化的陶瓷結構。
2.材料性能優化，燒結過程可控
柔性陶瓷前驅體可以在成形過程中保持一定的韌性，減少裂紋和缺陷的產生，從而在最終燒結后的陶瓷材料中實現高的強度和韌性；通過調整3D打印和柔性陶瓷前驅體的組合，研究人員可精確控制材料的燒結過程，從而優化材料的微觀結構和性能。
3.制造工藝與設計方法的創新
通過結合智能材料的概念，柔性陶瓷前驅體可在3D打印過程中展現出特定條件下的可編程特性，使得最終的陶瓷產品具有更廣泛的應用可能性；結合3D打印技術，柔性陶瓷前驅體可以與其他材料一起打印，形成多材料復合結構，實現在一個組件中結合陶瓷材料的優良性能和其他材料的功能性。
4.創新應用領域拓展
柔性陶瓷前驅體可在生物醫學與電子器件中得到廣泛應用。如牙科植入物和骨骼替代物僅具備陶瓷材料的生物相容性，還可根據患者的具體需求進行定制；3D打印與柔性陶瓷前驅體的結合可制造出高性能的電子器件，如耐高溫絕緣子、傳感器外殼等，這些器件需要同時具備高精度和特定的電學性能。
總體來說，3D打印與柔性陶瓷前驅體的結合為制造復雜、高性能陶瓷部件提供了新的途徑，推動了材料科學和制造技術的前沿發展。
新型陶瓷結構在立體電路、生物醫用及功能催化領域的應用
（圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所）
3D打印柔性水凝膠前驅體技術的進一步發展，不僅為現有陶瓷產品提供了新的制造方法，還將推動陶瓷材料在更多新興領域中的應用。這一技術的發展將依賴于多學科合作的創新，最終實現技術的規模化推廣和產業化應用。
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