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新材料可制作出更精细的陶瓷作品 图/视觉中国 |
□刘德胜、王晓龙 （中国科学院兰州化学物理研究所） 黏土和水后柔软可塑，可捏制、雕刻、塑形，再经过特殊的干燥和烧制工艺，从可塑状态最终变成坚硬、耐用的陶器或雕塑品，最后通过一种特殊的“烘焙”工艺，就能变成坚硬的陶瓷——这便是中国陶瓷的形成过程。 最近，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室团队，研究出将3D打印水凝胶和陶瓷材料相结合的办法，实现陶瓷硬度的控制，从而解决了如何用陶瓷烧制出复杂形状的难题。 传统陶瓷材料太硬、太脆 陶瓷材料因为具有优异的高温稳定性、耐腐蚀性、抗磨损性和良好的电绝缘性，成为制造许多日用品的材料。但它也有太硬、太脆的特性，限制了传统陶瓷材料在更多场景中的应用。 比如，传统陶瓷材料难以制造出复杂的形状，尤其是在制造复杂几何形状和内嵌结构时存在明显困难。这是因为陶瓷材料通过模压、注浆成型和挤压等方法加工，还需经过高温烧结才能呈现我们想要的形态，但这一过程中往往因为材料的收缩和变形而导致失败。另外，传统陶瓷加工方法在制造过程中，特别是对于微小尺寸的部件，很难实现高精度的制造，很容易产生裂纹、气孔和其他缺陷。 水凝胶让陶瓷材料变得更“柔软可控” 研究人员最终通过在陶瓷材料中加入水凝胶的方法，制造出一种“神奇泥土”，它既可以在成型阶段像橡皮泥一样柔软易塑，又可以在成型后像陶瓷一样坚硬耐用。研究人员的灵感来自于剪纸艺术以及相关智能材料的启发。他们发现，柔性水凝胶本身就是一种具有一定可变形性的材料，当它加入到原本的陶瓷材料中后，就能实现陶瓷硬度的相变可控，进而达到“以柔制刚”的理想效果。 但水凝胶和陶瓷的物理性质差异巨大，为了让这种混合材料在制作成型后仍能保持稳定结构，研究团队又利用了之前的一项研究成果——利用水性无机黏结剂制造低温烧结和超低收缩陶瓷，他们将水凝胶单体溶解到这种水性无机黏结剂中，并引入一定量的陶瓷粉体，最终制造出一种具有光固化性能的水性陶瓷浆料。这种材料经过光固化后，再依次干燥、脱脂和烧结，即可以制造出一种超低收缩的陶瓷，不会出现成品开裂的现象。 3D打印陶瓷：从平面到立体 接着，研究人员又想到了与3D打印技术相结合的办法：运用一些可黏合材料，通过逐层打印的方式构造实体零件。这样就能打造出结构更加复杂的产品或器件，形成超低收缩、高陶瓷生产率和形状保真度的陶瓷结构，使其适用于更多的应用场景，且设计更自由、功能更复杂，材料性能和结构得到优化，还可创新制造工艺与设计方法。 这一研究的成功，为材料科学家提供了一种全新的思考方式：材料不再是单一特性的体现，而是可以有机结合多种特性，从而实现更加复杂和广泛的应用。而且这项技术在材料科学和制造技术上，实现了三维复杂结构器件制造的重要突破，推动了新型陶瓷材料在多个领域的应用。 展望其应用前景，在医学领域，柔性水凝胶陶瓷材料可用于制造与患者解剖结构完全匹配的植入物，例如针对颅骨缺损形状，实现对骨缺陷部位的修复；在航天领域，它可以与其他功能性材料复合，制造复杂的航空航天结构件；同时，结合陶瓷材料的高导热性和耐热性，使其成为理想的散热材料，制造出设计精确的散热片，提升电子产品性能，例如电子元件的制作等。 （来源 科普中国）
