4D打印是一種基于3D打印發(fā)展而來，將智能材料和力學設計融入打印過程的新型制造技術。在光、熱、電、磁等外界環(huán)境刺激下，4D打印結構可隨時間產生形狀或功能的改變，在生物醫(yī)療、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。目前，能實現4D打印的材料主要局限于水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體等智能軟材料，而對于陶瓷類硬質材料的4D打印仍存在諸多技術瓶頸?，F有的陶瓷4D打印主要基于墨水直寫工藝，且需模具實現結構預編程，效率和精度有待提高。因此，需要開發(fā)一種無需模具或外力輔助變形的高效高精度陶瓷4D打印技術。

葛锜教授團隊與原超副教授團隊合作提出了一種基于水凝膠失水驅動的陶瓷4D打印方法。研究團隊開發(fā)出適用于DLP打印的光敏陶瓷彈性體漿料和丙烯酸水凝膠前驅體。光固化后兩種材料均可實現較大變形，其中陶瓷彈性體生坯可承受高達700%拉伸應變；水凝膠在失水過程中可實現高達65%體積收縮率，同時伴有40倍以上模量增加。該成果發(fā)表在《Nature Communications》，題為“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"。

本成果采用團隊自主開發(fā)多材料光固化4D打印設備打印水凝膠-陶瓷彈性體層合結構，通過水凝膠失水驅動層合結構由平面圖案直接演化為復雜三維結構，再經過高溫脫脂燒結即得到純陶瓷結構（圖1）。該方法在無需額外形狀編程的條件下實現了陶瓷結構的直接4D打印。

在燒結過程中，彎曲的層合結構發(fā)生了曲率回撤現象。通過實驗研究和有限元模擬，研究團隊將現象歸因于燒結過程中層合結構厚度方向的不均勻收縮。綜合考慮水凝膠失水過程中層合結構變形以及燒結過程中陶瓷結構曲率回撤現象，研究團隊建立了基于相轉變的本構模型描述水凝膠脫水的剛度增加和體積收縮，進而結合層合梁理論預測陶瓷彈性體-水凝膠層合結構的脫水彎曲過程，最后將陶瓷燒結過程中變形梯度引發(fā)的非均勻收縮引入理論模型，計算最終的結構彎曲變形，理論預測與實驗結果取得了很好的一致性（圖2）。利用理論模型繪制的設計機制圖可以定量呈現結構變形與結構參數的映射關系，為水凝膠-陶瓷層合結構設計提供有效指導。

以正四面體為例，具體展示了陶瓷4D打印的設計流程，實驗結果與最初設計目標一致。陶瓷4D打印的逆向設計流程（圖3）：

1）通過三維建模提取目標構型特征參數；

2）設計平面圖案確定待定設計參數；

3）理論模型計算待定設計參數；

4）有限元模擬預測三維形狀；

5）多材料打印實現層合結構到目標三維形狀的構型轉換。

通過對平面層合結構進行多樣化圖案設計，可實現如立方體盒子、Miura折紙結構、鶴、三葉風扇和蝎子等各種三維陶瓷結構（圖4）。與模具輔助變形和手動折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅動的陶瓷直接4D打印技術能夠更簡單、更高效、更精準地制造各三維陶瓷結構，為復雜陶瓷結構的設計和制造開辟了新的途徑。