课题来源为广东省科学技术厅计划。

科技部发布的《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》指出，强化制造核心基础件和智能制造关键基础技术，在增材制造、激光制造等领域掌握一批具有自主知识产权的核心关键技术与装备产品。目前，相较于聚合物和金属材料，陶瓷材料的增材制造技术发展得相对不够成熟。陶瓷材料的极高熔点使其打印难度很大，陶瓷打印一般采用光固化或选择性激光烧结方法，美国HRL实验室通过光固化法制备出复杂结构的前驱体聚合物，热处理后得到3D打印复杂结构的陶瓷。然而，已报道的3D打印陶瓷前驱体材料通常不具有弹性，限制了可变形结构陶瓷的发展。因此，本项目开发硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体，这种新型材料可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，从而实现4D打印陶瓷。这种4D打印技术结合了3D打印、自变形组装和弹性体衍生陶瓷，将会在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应环境变化能力上实现突破，并为结构陶瓷的应用开辟新的一页，将会促进3C电子产品、生物医疗、热防护材料等领域的发展，有着重大的国家战略意义和产业发展需求。

项目团队依托国家级平台3个，省部级平台6个；前期已在全球首创4D打印陶瓷技术，在研发复杂形状的轻质高强、大尺寸的结构陶瓷上取得了一定突破。

 

2.技术的创新突破点：

（1）4D增减材复合制造陶瓷

针对先前陶瓷4D打印陶瓷系统的局限性，利用陶瓷前驱体材料的易加工性，集成了陶瓷4D打印系统与减材制造、异质工程、表面工程等技术，探究了基于非接触式激励的一步式变形变质4D打印陶瓷机制，提出了兼具高4D变形精度/3D结构特征/2D表面质量、大尺寸、及高效率的4D增减材复合制造陶瓷新范式。

（2）4D打印大尺寸形状记忆陶瓷

面向形状记忆陶瓷的发展受限于形状记忆机制、结构尺度、材料适用性、工艺及形状复杂度、功能多样性等因素的难题，提出了4D打印大尺寸形状记忆陶瓷的新概念。研发了4D打印形状记忆陶瓷技术，实现了初始/反向、整体/局部多模式形状记忆功能，建立了智能化控材控形控性策略，并通过4D打印全陶瓷叶盘模型验证了高4D变形精度、大尺寸、复杂结构形状记忆陶瓷材料制备的可行性。

（3）陶瓷前驱体增材制造设备开发

完成了大尺寸复杂结构陶瓷前驱体打印装备的设计与工程样机生产，该设备实现了市面设备难以实现的功能：首先，该套设备配备多个打印喷头，可以实现多材料、多结构、多精度切换的增材制造工艺；其次，该设备可实现多种打印精度的转换，以便在制造过程中实现打印精度与制造速度的灵活选择。此外，设备可以制造的材料覆盖了低温、高温、光固化陶瓷墨水，为大尺寸、多材料的陶瓷构件提供了制造能力。

（4）仿生人骨生物陶瓷结构设计

有效提升了陶瓷固化、力学及生物性能；实现了有利于细胞附着和生长的仿生人骨生物陶瓷结构。制备的专用构件在医学领域得到应用示范。突破了陶瓷光固化4D打印技术难题。

 

3.项目实施及应用情况：

本项目共申请发明专利22项（授权8项）；发表学术论文23篇；参与编撰著作及调研报告各1份；制定相关标准2项。

此外，项目实现了3D/4D打印陶瓷材料制备临时种植桥、脊椎间融合器、植入器械、复合陶瓷叶片等多种专用构件。

 

4.项目获奖情况：

项目在执行期内获发明奖6项：

（1）4D打印陶瓷及其在3C产品中的应用，中国(上海)国际发明创新展览会银奖，2021-04.

（2）4D打印陶瓷及其在3C产品中的应用，第二十五届全国发明展览会“发明创业奖项目奖”铜奖，2021-12.

（3）一种诊疗一体化梯度骨软骨仿生支架及其制备方法，澳门国际创新发明展金奖，2022-10.

（4）一种新型陶瓷牙科种植体以及制备方法，澳门国际创新发明展金奖，2022-10.

（5）一种光固化陶瓷3D打印材料的铺料装置及其使用方法，澳门国际创新发明展金奖，2022-10.

（6）氧化锆陶瓷膏料的制备方法及其氧化锆陶瓷膏料，澳门国际创新发明展银奖，2022-10.