用于陶瓷折纸结构四维打印的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种构造4D打印的陶瓷物体的系统和方法，包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和陶瓷前驱体的墨水，以将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体；将3D打印的弹性物体折叠成复杂结构以形成4D打印的预应变弹性物体；以及将4D打印的弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体。

System and Method for Four-Dimensional Printing of Ceramic Origami Structure

The invention discloses a system and method for constructing a 4D printing ceramic object, including: extruding ink including particles and ceramic precursors through nozzles to deposit ink on a heating plate, thereby forming an elastic object with 3D printing on the heating plate; folding the elastic object with 3D printing into a complex structure to form a pre-strained elastic object with 4D printing; and elasticity of 4D printing. Objects are converted into 4D printed ceramic objects.

【技术实现步骤摘要】
用于陶瓷折纸结构四维打印的系统和方法
本专利技术涉及陶瓷结构的打印。具体地说，本专利技术的实施例涉及使用高分子化合物打印可折叠物体。折纸的具体实施例以这样的方式打印，使得物体的折叠凭借材料特性而发生。
技术介绍
在本说明书中，应该理解，术语“折纸”是指将薄片折叠成三维(3D)物体的过程。在制造和3D打印的环境中，提及“折纸”装配是指使3D打印物体“折叠”成更复杂形状的过程。这种折叠可以通过毛细作用力、通过使用机械感应器、或通过形成3D打印物体的材料固有的形状记忆机构来发生。在口语中，类似折纸的3D打印物体(即，通过其固有结构和/或材料的使用而能够随时间移动或变形的物体)通常通过称为四维(4D)打印的过程而制造。因此，在本说明书的上下文中，将理解的是，对“4D打印物体”的任何引用是对使用3D打印技术打印的物体的引用，但是由于物体的固有属性，其能够随时间变换。相应地，4D打印是指采用3D打印机构或方法的打印过程，并且在某些情况下，在进行形状变形步骤之前，采用产生4D打印物体的方式。可以理解的是，4D打印物体和4D打印技术可以应用在包括机器人技术、生命科学应用和仿生4D打印等的多个领域中。通过陶瓷前驱体的热分解制备的聚合物衍生陶瓷(PDCs)除了机械抗摩擦学性能外，还表现出常规陶瓷的显著性能，例如高热稳定性、耐氧化和耐腐蚀的化学特性。PDCs的微观结构和性质可以通过调节聚合物体系和热解条件进行调整。陶瓷前驱体的增材制造是用于构建复杂陶瓷结构的最先进的技术。但是，硅树脂在用于聚合物向陶瓷转化的完全交联后不够柔软，很难弯曲。正是在这种背景下开发了本专利技术。专利技术内容在一个方面，本专利技术提供一种构造4D打印的陶瓷物体的方法，所述方法包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和陶瓷前驱体的墨水，以将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体；将3D打印的弹性物体折叠成复杂结构以形成4D打印的预应变弹性物体；以及将4D打印的弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体。在一个实施方式中，颗粒是二氧化锆纳米颗粒。在一个实施方式中，陶瓷前驱体是聚二甲基硅氧烷。在一个实施方式中，加热板的温度在约30℃至约400℃的范围内。在一个实施方式中，弹性物体的折叠通过金属线来实现。在一个实施方式中，聚合物向陶瓷转化通过在真空中或在惰性气氛下热解发生。在一个实施方式中，4D打印的陶瓷物体具有混合的高斯曲率。该混合的高斯曲率可以是有利的，因为弹性体的拉伸性提供了构建复杂结构的机会。在一个实施方式中，4D打印的陶瓷物体具有100μm或更大的尺寸。在一个实施方式中，墨水由颗粒在陶瓷前驱体中均匀分布形成，并且其中，墨水中颗粒的重量百分比在约1％至约90％的范围内，以及墨水中陶瓷前驱体的重量百分比在约10％至约99％的范围内。在一个实施方式中，聚合物向陶瓷转化的加热温度为400℃至2000℃。在一个实施方式中，聚合物结构在所述聚合物向陶瓷转化期间经历有限且均匀的收缩，并且其中，4D打印的陶瓷物体具有与4D打印的弹性物体基本相同的形状。在一个实施方式中，颗粒的特征在于约100μm或更小的平均直径。在一个实施方式中，颗粒是均匀分布的粉末。在一个实施方式中，弹性物体被局部或部分加热以实现所述陶瓷-有机结构。在一个实施方式中，通过使用以下中的至少一者实现弹性物体的折叠：金属线、预拉伸装置、金属板、聚合物线、聚合物板、碳线、碳板、硅线、硅板、形状记忆合金和形状记忆聚合物。在一个实施方式中，陶瓷前驱体包括以下几者中的至少一种：聚硅氧烷、聚倍半硅氧烷、聚碳硅氧烷、聚碳硅烷、聚硅烷基碳二亚胺、聚倍半硅烷基碳二亚胺、聚硅氮烷和聚倍半硅氮烷。在一个实施方式中，颗粒包括以下几者中的至少一种：二氧化锆颗粒、氧化钙颗粒、氧化铝颗粒、二氧化钛颗粒、氧化铟颗粒、氧化锌颗粒、二氧化硅颗粒、氮化铝颗粒、硅酸钙颗粒、碳化硅颗粒、聚合物颗粒、金属颗粒、炭黑颗粒、石墨烯颗粒、石墨颗粒、金刚石颗粒和耐火材料。在一个实施方式中，在聚合物向陶瓷转化的过程中，预应变通过机器人或形状记忆合金或热膨胀或弛豫残余应力或激光切割韧带或其组合来预调。附图说明尽管任何其他形式可以落入本专利技术范围内，但是现在将参照附图仅以举例的方式描述优选实施例，其中：图1示出了根据本专利技术的实施例的DIW-折纸-SCOP方法，其中a部分示出了用于折纸的3D打印的弹性体晶格；b部分示出了DIW方法的示意图；c部分示出将3D打印的弹性体转化成预应变前驱体的金属丝辅助折纸步骤；部分d示出将预应变前驱体热解转化成4D打印陶瓷的步骤；e部分示出了在销蚀掉金属线之后获得的一级PDCs；f部分示出了将一级PDCs转化成二级PDCs的氧化步骤；图2示出了3D打印的大尺度弹性蜂窝体的实例；图3显示了3D打印的PDMS纳米复合材料的微晶格(部分(a))和蜂窝(部分(b))，一级PDCs和二级PDCs(从左到右)的例子；图4显示了二级PDCs的多级纳米结构的一个例子：微晶格的数码照片(部分a；比例尺，5mm)，微晶格的SEM图像(部分b；比例尺，200μm)，横截面的SEM图像(部分c；比例尺，100nm)和孔径分布(部分d)，部分e显示了这种多级陶瓷纳米结构的相关尺寸的示意图；图5例示了PDCs的孔隙率(部分a)，一级和二级PDCs的N2吸附/解吸等温线(部分b)，其中，部分b中的插图示出了一级和二级PDCs的累积孔体积和孔径分布；图6显示了通过弯曲、扭转和拉伸呈现的打印弹性体的柔性和拉伸性；图7展示了模仿蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰和裙子的代表性陶瓷折纸物体；图8显示了大尺度4D打印陶瓷；图9显示了通过DIW-折纸-SCOP方法产生具有混合的高斯曲率(K)的复杂4D打印陶瓷，其中，a和d部分显示在4D打印陶瓷中的正K(球形帽)和零K(圆柱体)，b部分显示4D打印陶瓷中的正K(环面的外部区域)和负K(环面的内部区域)，以及c部分表示4D打印陶瓷中的零K(圆锥和圆柱体)；图10显示了抗压强度-密度的Ashby图。对比了本专利技术中具有高抗压强度的SiOC基质纳米复合材料结构(红色星号)与参考文献报道的和市售SiC泡沫和AlSiO泡沫的其他陶瓷结构；图11显示了强度-尺度的协同作用。同时具有高强度和大尺度的PDCs结构；以及图12A、图12B、图12C和图12D是表1中相关条目的示例性几何表示的图示。具体实施方式在随后的描述中，为了简洁起见、为了提高可读性，某些术语一旦引入将被缩写。应该理解的是，这些缩写的使用不应该被解释为限制性的或以其他方式对这些术语的含义赋予超出本领域技术人员所理解的含义的“光泽”。在至少一个实施方案中，本专利技术提供了构建4D打印陶瓷物体的方法，所述方法包括：挤出含有颗粒的墨水；陶瓷前驱体，通过喷嘴将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体，将3D打印的弹性物体折叠成复杂的折纸或剪纸结构，从而形成4D打印预应变弹性物体；以及将4D打印的弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体，由此形成4D打印的陶瓷物体。更详细地说，所用的硅橡胶纳米复合材料(NCs)是用ZrO2纳米颗粒(NPs)填充的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。PDMS是有机硅系统中的主要弹性体，可用作陶瓷前驱体，同时提供固有的柔性，以构建适用于折纸折叠的材料。此外，PDMS的可拉伸性允本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构造4D打印的陶瓷物体的方法，所述方法包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和陶瓷前驱体的墨水，以将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体；将3D打印的弹性物体折叠成复杂结构以形成4D打印的预应变弹性物体；以及将4D打印的弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体。

【技术特征摘要】
2017.07.31 US 15/663,9611.一种构造4D打印的陶瓷物体的方法，所述方法包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和陶瓷前驱体的墨水，以将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体；将3D打印的弹性物体折叠成复杂结构以形成4D打印的预应变弹性物体；以及将4D打印的弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒是二氧化锆纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述陶瓷前驱体是聚二甲基硅氧烷。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热板的温度在约30℃至约400℃的范围内。5.根据权利要求1所述的方法，其中，弹性物体的所述折叠通过金属线来实现。6.根据权利要求1所述的方法，其中，聚合物向陶瓷的所述转化通过在真空中或在惰性气氛下热解发生。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述4D打印的陶瓷物体可以具有混合的高斯曲率。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述4D打印的陶瓷物体具有100μm或更大的尺寸。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述墨水由所述颗粒在所述陶瓷前驱体中均匀分布形成，并且其中，所述墨水中所述颗粒的重量百分比在约1％至约90％的范围内，所述墨水中所述陶瓷前驱体的重量百分比在约10％至约99％的范围内。10.根据权利要求6所述的方法，其中，聚合物向陶瓷转化的所述加热温度为400℃至2000℃。11...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坚，刘果，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81