美國實現高分子陶瓷3D列印，未來這些地方或許你能用得上它

3D列印技術出現在20世紀90年代中期，其中,以計算機三維設計模型為藍本，通過軟體分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將陶瓷粉末、金屬粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，製造出實體產品。

它與普通印表機工作原理基本相同，印表機內裝有液體或粉末等「列印材料」，列印材料由傳統的墨水、紙張轉變為粉末狀陶瓷、金屬、塑料等經過處理的特殊材料。

利用3D列印技術，可以製備出傳統成型技術難以或無法獲得的各種複雜形狀的陶瓷產品。我們可以將陶瓷粉末與塑料等粘結劑進行均勻混合，製備出所需的列印材料，然後通過計算機輔助，設計出客戶所需的各種形狀，並通過印表機列印出所需的產品，因此3D列印陶瓷技術成為科研人員關注的一個重要技術發展方向。

但是3D列印陶瓷技術往往會造成材料中微小的缺陷，導致成品容易出現裂紋，其主要原因在於：原料中加入了大量的粘結劑，3D列印過程中粉體經粘結劑粘合,形成不同形狀的陶瓷素坯，這種方法獲得的陶瓷素坯密度較低，然後再在高溫燒結爐中燒結，在燒結過程中,粘結劑排出產生大量氣體容易形成裂紋。因此目前利用3D列印技術製備陶瓷應用還不是非常廣泛。

3D列印陶瓷材料（圖片來自網路）

目前，有美國團隊已經成功通過3D列印技術獲得比較完整的陶瓷產品，成品率較高，這些思路值得我們借鑒。

美國HRL實驗室的科研人員實現了高分子陶瓷的3D列印，採用該方法製備高強度陶瓷產品。HRL實驗室科研人員採用了一種新思路：先將可以轉變成陶瓷的原料進行3D列印，再進行處理轉變為陶瓷產品。

HRL團隊首先開發出一種可3D列印的陶瓷聚合物前體（PreceramicMonomers），在激光列印成型後再進行加熱使之變成陶瓷，這種聚合物材料支持常見的激光3D列印技術，可以列印出複雜度更高的陶瓷物體，且速度比傳統的立體選擇性激光列印方法快100~1000倍。

更重要的是，HRL公司發明的這種3D列印聚合物，陶瓷強度高達當前商用泡沫陶瓷的10倍。據了解，高強度耐高溫陶瓷材料在航天工業有重要的用途，航天器中大量採用陶瓷元件，例如機翼板和軌道火箭的內部結構。

目前，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)已經授予該團隊燒蝕陶瓷外殼的開發合同，該外殼將用於航天器的隔熱層，用於抵禦返回大氣層時產生的熱量。

該方法未來可在航空航天領域得到廣泛使用，比如發動機渦輪葉片，防護隔熱材料，新型隱身武器吸波材料，大型空間反射鏡和空間反射鏡支撐結構件等等，這些結構材料往往形狀比較複雜，利用傳統的技術方法製備成本較高或者周期較長，我們可以找到相應結構材料所對應的前驅體聚合物，採用該3D列印技術來解決這些難題。

此外，美國Amedica公司也宣布首次使用一種被稱為機械沉積（Robotic deposition或Robocasting）的3D列印技術製造出複雜的氮化硅3D結構。

所謂機械沉積，是一種使用緻密陶瓷和複合材料進行高膠態泥漿層積的成型技術。這一工藝可以使用更少的粘結劑，而且陶瓷可以在24h之內完全燒結。

被稱為「機械沉積」的3D列印技術製造氮化硅3D結構

利用該3D列印技術可生產優質醫療植入物，如脊柱植入物，髖部植入物，其優勢在於：植入物進入人體後，有機骨骼生長的過程中很容易滋生細菌，引起併發症，而氧化硅具有抗菌的效果，同時可以減少植入物和周圍骨骼間的生物膜吸收蛋白質、細胞和養分，從而促進骨骼的生長。

參考文獻

[1]Zak C.Eckelet al. Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science, 2016, 351:58-62.

[2]Amedica Company, AmedicaFirst to 3D Print Silicon Nitridefor Medical Applications,2016,3.23.

[4]竇浩桐，掘金3D列印.Ohio:River Styx Publishing Group, 2013:18-20.

出品：科普中國

製作：中國科學院上海硅酸鹽研究所結構陶瓷工程研究中心 陳健

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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