哈佛大学Advanced Materials：微波活化聚合嵌入式3D打印的建筑陶瓷

一、【导读】

增材制造，也被称为3D打印，是制造复杂结构的重要平台，能够完成传统技术要花费大量时间甚至无法实现的制造任务。3D打印技术的最终目标是在微观水平上完全控制打印结构的组成、几何结构和性能。伴随着人们不同的需求，3D打印相关工程在软功能、结构和生物材料方面迎来了开创性的局面。这些新型结构材料可能会在打印电子、光学和结构超材料、软机器人以及3D血管化组织和器官中找到潜在的应用。另外，研究开发的新型软功能墨水，用于纸上笔电子产品、柔性电子产品和3D天线，开发的多材料3D生物打印方法，能够创建厚血管组织和3D器官芯片。

而陶瓷3D打印技术最早由Marcus等人和Sachs等人于20世纪90年代提出。随着材料和计算机等科学和技术水平的不断提升，适用于陶瓷零件制造的3D打印工艺研究也得到了长足发展，其门类也越来越丰富。目前陶瓷3D打印成型技术主要可以分为喷墨打印技术(IJP)、熔融沉淀技术(FDM)、分层实体制造技术(LOM)、选择性激光烧结技术(SLS) 和立体光固化技术(SLA)等。现在让我们来认识一种新的3D打印技术。

二、【成果掠影】

基于光和墨水的3D打印方法极大地扩展了建筑陶瓷的设计空间和几何复杂性。然而，基于光的方法通常局限于相对狭窄的预陶瓷和颗粒负载树脂范围，而基于墨水的方法由于分层组装而受到几何复杂性的限制。在本文中，嵌入式3D打印与微波激活固化相结合，生成具有自由形状的空间控制成分的建筑陶瓷。水性胶体油墨在支撑基质中印刷，通过微波激活聚合快速固化，随后干燥和烧结成由一种或多种氧化物材料组成的致密结构。这种集成制造方法为复杂陶瓷结构的设计和制造开辟了新的途径，具有可编程的成分、密度和形式，适用于无数应用。该项工作由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院生物工程学Jennifer A. Lewis教授团队完成，以题目为：“Embedded 3D Printing of Architected Ceramics via Microwave-Activated Polymerization”，发表在Advanced Materials上。

三、【核心创新点】

1. 率先创建了含有热固化物种的浓缩胶体，并与我们的硅基支撑基质兼容，同时表现出EMB3D打印所需的流变性能。
2. 研究了微波活化固化对具有足够强度的零件的影响，以使其从支撑基体中去除，并在烧结过程中进行后续致密化。
3. 用自由形状的可编程组合物制造复杂的陶瓷结构的集成制造方法，可以在结构、生物医学和能源领域上应用。

四、【数据概览】

图1.微波激活，EMB3D打印建筑陶瓷。©2023Advanced Materials

图2.油墨、基质、微波活化固化条件的优化。©2023Advanced Materials

图3.烧结陶瓷结构的微观结构演变与力学性能。©2023Advanced Materials

图4.EMB3D打印互穿陶瓷结构。©2023Advanced Materials

五、【成果启示】

在这里，本文报道了一种将嵌入式3D打印（EMB3D）与微波激活固化相结合的方法，用于在任意几何形状中制造具有控制成分的建筑陶瓷。首先创建了含有热固化物种的浓缩胶体，并与硅基支撑基质兼容，同时表现出EMB3D打印所需的流变性能。作为例子，打印了整体和多材料晶格形式的建筑陶瓷，以及互穿链结构。接下来，研究了微波活化固化对产生具有足够处理强度的零件的能力的影响，以使其从支撑基体中去除，并在烧结过程中进行后续致密化。集成制造方法可以用自由形状的可编程组合物制造复杂的陶瓷结构，这可能对结构、生物医学和能源应用有潜在的兴趣。

通过演示微波激活嵌入式EMB3D在单片和多材料图案中创建复杂陶瓷结构的方法。用优化化学兼容支撑矩阵的成分和流变性，并使用EMB3D打印实现陶瓷部件的几何复杂性。已经证明微波激活热固化可以实现制造轻质陶瓷格子和互穿锁子甲结构。具备快速打印和微波固化填充颗粒的聚合材料的能力，高分子复合材料和织物为生成从陶瓷到轻质的建筑材料开辟了新的途径。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adma.202209270

本文由金爵供稿