具有復雜幾何形狀的聚合物衍生陶瓷在環境科學和生物醫學等工程領域具有應用價值。然而，固有脆性和剛性的樹脂基陶瓷前驅體難以實現結構層次跨越不同尺度的陶瓷構件，限制了復雜陶瓷器件的高精度制造。柔性聚合物陶瓷前驅體的變形能力為實現大跨度結構陶瓷提供了一種理想的選擇，但現有的陶瓷前驅體柔韌性和重構性差。因此，發展可3D打印的新型柔性陶瓷前驅體對制造復雜的無支撐、大跨度結構陶瓷器件至關重要。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室3D打印摩擦器件組采用3D打印柔性水凝膠前驅體制備復雜結構陶瓷。該團隊發展了利用3D打印水凝膠柔性骨架輔助高幾何復雜性、高打印精度和形狀保真度陶瓷成形的新方案。該方案解決了傳統陶瓷制造因脆性和剛性導致的形狀復雜性和尺寸收縮問題，在立體電路、生物醫學和功能催化等領域展現出應用價值。
該團隊受折紙/剪紙藝術的啟發，以水性無機粘結劑磷酸二氫鋁溶膠為水凝膠單體分散介質，將水凝膠單體和納米陶瓷粉體混合來制備光敏性水凝膠陶瓷漿料；利用光固化3D打印獲得了具有優異的延展性、形狀適應性、抗疲勞性且可二次變形的水凝膠柔性骨架；依次經過脫水干燥、低溫脫脂和高溫燒結等步驟，實現了具有超低收縮、高陶瓷產率和形狀保真度的懸空大跨度陶瓷結構。該工作設計的柔性水凝膠基陶瓷前驅體能夠實現從平面形狀到3D立體結構的轉變，突破了傳統硬質/脆性陶瓷前驅體制造復雜陶瓷結構的局限。
生活中常見的大跨度懸空結構較難通過傳統的光固化3D打印實現。為此，科研人員將柔性的二維水凝膠形狀如圓柱形、線狀、彈簧和漩渦經過擠壓、編織、扭曲和拉伸等連續變形，可以重新塑造成具有多尺度和大跨度的復雜三維立體結構，如燈籠、中國結、彈簧卷和螺旋。
基于這一方法，研究人員制造出無支撐且大跨度的陶瓷三維電路。這種陶瓷三維電路能夠較好地點亮LED燈帶。此外，研究發現，利用水凝膠柔性骨架的可變形性，可按需或個性化制造具有顱骨缺損形狀的陶瓷結構以實現骨缺陷部位修復。同時，該陶瓷結構可以結合表面改性策略，設計并制備高性能的復雜結構催化陶瓷器件。這一器件具有優良的催化活性和穩定性。科研人員拓展了上述新方法在三維電路、生物醫用及功能催化領域的潛在應用。
相關研究成果以Sophisticated Structural Ceramics Shaped from 3D Printed Hydrogel Preceramic Skeleton為題，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院“西部之光”人才培養計劃創新團隊項目、甘肅省科技計劃和蘭州化物所重點培育項目等的支持。
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
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