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

一、 【導讀】?

? ? ? ? 增材制造，也被稱為3D打印，是制造復雜結構的重要平臺，能夠完成傳統技術要花費大量時間甚至無法實現的制造任務。3D打印技術的最終目標是在微觀水平上完全控制打印結構的組成、幾何結構和性能。伴隨著人們不同的需求，3D打印相關工程在軟功能、結構和生物材料方面迎來了開創性的局面。這些新型結構材料可能會在打印電子、光學和結構超材料、軟機器人以及3D血管化組織和器官中找到潛在的應用。另外，研究開發的新型軟功能墨水，用于紙上筆電子產品、柔性電子產品和3D天線，開發的多材料3D生物打印方法，能夠創建厚血管組織和3D器官芯片。

? ? ? ? 而陶瓷3D打印技術最早由Marcus等人和Sachs等人于20世紀90年代提出。隨著材料和計算機等科學和技術水平的不斷提升，適用于陶瓷零件制造的3D打印工藝研究也得到了長足發展，其門類也越來越豐富。目前陶瓷3D打印成型技術主要可以分為噴墨打印技術(IJP)、熔融沉淀技術(FDM)、分層實體制造技術(LOM)、選擇性激光燒結技術(SLS) 和立體光固化技術(SLA)等。現在讓我們來認識一種新的3D打印技術。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 基于光和墨水的3D打印方法極大地擴展了建筑陶瓷的設計空間和幾何復雜性。然而，基于光的方法通常局限于相對狹窄的預陶瓷和顆粒負載樹脂范圍，而基于墨水的方法由于分層組裝而受到幾何復雜性的限制。在本文中，嵌入式3D打印與微波激活固化相結合，生成具有自由形狀的空間控制成分的建筑陶瓷。水性膠體油墨在支撐基質中印刷，通過微波激活聚合快速固化，隨后干燥和燒結成由一種或多種氧化物材料組成的致密結構。這種集成制造方法為復雜陶瓷結構的設計和制造開辟了新的途徑，具有可編程的成分、密度和形式，適用于無數應用。該項工作由哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院生物工程學Jennifer A. Lewis教授團隊完成，以題目為：“Embedded 3D Printing of Architected Ceramics via Microwave-Activated Polymerization”，發表在Advanced Materials上。

?三、【核心創新點】

1. 率先創建了含有熱固化物種的濃縮膠體，并與我們的硅基支撐基質兼容，同時表現出EMB3D打印所需的流變性能。
2. 研究了微波活化固化對具有足夠強度的零件的影響，以使其從支撐基體中去除，并在燒結過程中進行后續致密化。
3. 用自由形狀的可編程組合物制造復雜的陶瓷結構的集成制造方法，可以在結構、生物醫學和能源領域上應用。

?四、【數據概覽】

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

圖2.油墨、基質、微波活化固化條件的優化。?2023Advanced Materials

圖3.燒結陶瓷結構的微觀結構演變與力學性能。?2023Advanced Materials

圖4.EMB3D打印互穿陶瓷結構。?2023Advanced Materials

五、【成果啟示】

? ? ? ? 在這里，本文報道了一種將嵌入式3D打印（EMB3D）與微波激活固化相結合的方法，用于在任意幾何形狀中制造具有控制成分的建筑陶瓷。首先創建了含有熱固化物種的濃縮膠體，并與硅基支撐基質兼容，同時表現出EMB3D打印所需的流變性能。作為例子，打印了整體和多材料晶格形式的建筑陶瓷，以及互穿鏈結構。接下來，研究了微波活化固化對產生具有足夠處理強度的零件的能力的影響，以使其從支撐基體中去除，并在燒結過程中進行后續致密化。集成制造方法可以用自由形狀的可編程組合物制造復雜的陶瓷結構，這可能對結構、生物醫學和能源應用有潛在的興趣。

? ? ? ? 通過演示微波激活嵌入式EMB3D在單片和多材料圖案中創建復雜陶瓷結構的方法。用優化化學兼容支撐矩陣的成分和流變性，并使用EMB3D打印實現陶瓷部件的幾何復雜性。已經證明微波激活熱固化可以實現制造輕質陶瓷格子和互穿鎖子甲結構。具備快速打印和微波固化填充顆粒的聚合材料的能力，高分子復合材料和織物為生成從陶瓷到輕質的建筑材料開辟了新的途徑。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/adma.202209270

本文由金爵供稿