□劉德勝、王曉龍（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

黏土和水后柔軟可塑，可捏制、雕刻、塑形，再經(jīng)過特殊的干燥和燒制工藝，從可塑狀態(tài)最終變成堅(jiān)硬、耐用的陶器或雕塑品，最后通過一種特殊的“烘焙”工藝，就能變成堅(jiān)硬的陶瓷——這便是中國陶瓷的形成過程。

最近，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，研究出將3D打印水凝膠和陶瓷材料相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)陶瓷硬度的控制，從而解決了如何用陶瓷燒制出復(fù)雜形狀的難題。

傳統(tǒng)陶瓷材料太硬、太脆

陶瓷材料因?yàn)榫哂袃?yōu)異的高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗磨損性和良好的電絕緣性，成為制造許多日用品的材料。但它也有太硬、太脆的特性，限制了傳統(tǒng)陶瓷材料在更多場(chǎng)景中的應(yīng)用。

比如，傳統(tǒng)陶瓷材料難以制造出復(fù)雜的形狀，尤其是在制造復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)時(shí)存在明顯困難。這是因?yàn)樘沾刹牧贤ㄟ^模壓、注漿成型和擠壓等方法加工，還需經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)才能呈現(xiàn)我們想要的形態(tài)，但這一過程中往往因?yàn)椴牧系氖湛s和變形而導(dǎo)致失敗。另外，傳統(tǒng)陶瓷加工方法在制造過程中，特別是對(duì)于微小尺寸的部件，很難實(shí)現(xiàn)高精度的制造，很容易產(chǎn)生裂紋、氣孔和其他缺陷。

水凝膠讓陶瓷材料變得更“柔軟可控”

研究人員最終通過在陶瓷材料中加入水凝膠的方法，制造出一種“神奇泥土”，它既可以在成型階段像橡皮泥一樣柔軟易塑，又可以在成型后像陶瓷一樣堅(jiān)硬耐用。研究人員的靈感來自于剪紙藝術(shù)以及相關(guān)智能材料的啟發(fā)。他們發(fā)現(xiàn)，柔性水凝膠本身就是一種具有一定可變形性的材料，當(dāng)它加入到原本的陶瓷材料中后，就能實(shí)現(xiàn)陶瓷硬度的相變可控，進(jìn)而達(dá)到“以柔制剛”的理想效果。

但水凝膠和陶瓷的物理性質(zhì)差異巨大，為了讓這種混合材料在制作成型后仍能保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)又利用了之前的一項(xiàng)研究成果——利用水性無機(jī)黏結(jié)劑制造低溫?zé)Y(jié)和超低收縮陶瓷，他們將水凝膠單體溶解到這種水性無機(jī)黏結(jié)劑中，并引入一定量的陶瓷粉體，最終制造出一種具有光固化性能的水性陶瓷漿料。這種材料經(jīng)過光固化后，再依次干燥、脫脂和燒結(jié)，即可以制造出一種超低收縮的陶瓷，不會(huì)出現(xiàn)成品開裂的現(xiàn)象。

3D打印陶瓷：從平面到立體

接著，研究人員又想到了與3D打印技術(shù)相結(jié)合的辦法：運(yùn)用一些可黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造實(shí)體零件。這樣就能打造出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品或器件，形成超低收縮、高陶瓷生產(chǎn)率和形狀保真度的陶瓷結(jié)構(gòu)，使其適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景，且設(shè)計(jì)更自由、功能更復(fù)雜，材料性能和結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，還可創(chuàng)新制造工藝與設(shè)計(jì)方法。

這一研究的成功，為材料科學(xué)家提供了一種全新的思考方式：材料不再是單一特性的體現(xiàn)，而是可以有機(jī)結(jié)合多種特性，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜和廣泛的應(yīng)用。而且這項(xiàng)技術(shù)在材料科學(xué)和制造技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)了三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件制造的重要突破，推動(dòng)了新型陶瓷材料在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

展望其應(yīng)用前景，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，柔性水凝膠陶瓷材料可用于制造與患者解剖結(jié)構(gòu)完全匹配的植入物，例如針對(duì)顱骨缺損形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨缺陷部位的修復(fù)；在航天領(lǐng)域，它可以與其他功能性材料復(fù)合，制造復(fù)雜的航空航天結(jié)構(gòu)件；同時(shí)，結(jié)合陶瓷材料的高導(dǎo)熱性和耐熱性，使其成為理想的散熱材料，制造出設(shè)計(jì)精確的散熱片，提升電子產(chǎn)品性能，例如電子元件的制作等。（來源科普中國）