具有複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(jia) 值。然而，固有脆性和剛性的樹脂基陶瓷前驅體(ti) 難以實現結構層次跨越不同尺度的陶瓷構件，限製了複雜陶瓷器件的高精度製造。柔性聚合物陶瓷前驅體(ti) 的變形能力為(wei) 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(ti) 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(ti) 對製造複雜的無支撐、大跨度結構陶瓷器件至關(guan) 重要。

近日，中國科學院蘭(lan) 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(ti) 製備複雜結構陶瓷。該團隊發展了利用3D打印水凝膠柔性骨架輔助高幾何複雜性、高打印精度和形狀保真度陶瓷成形的新方案。該方案解決(jue) 了傳(chuan) 統陶瓷製造因脆性和剛性導致的形狀複雜性和尺寸收縮問題，在立體(ti) 電路、生物醫學和功能催化等領域展現出應用價(jia) 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(wei) 水凝膠單體(ti) 分散介質，將水凝膠單體(ti) 和納米陶瓷粉體(ti) 混合來製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(you) 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；依次經過脫水幹燥、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(chan) 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(ti) 能夠實現從(cong) 平麵形狀到3D立體(ti) 結構的轉變，突破了傳(chuan) 統硬質/脆性陶瓷前驅體(ti) 製造複雜陶瓷結構的局限。

生活中常見的大跨度懸空結構較難通過傳(chuan) 統的光固化3D打印實現。為(wei) 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複雜三維立體(ti) 結構，如燈籠、中國結、彈簧卷和螺旋。

基於(yu) 這一方法，研究人員製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(ge) 性化製造具有顱骨缺損形狀的陶瓷結構以實現骨缺陷部位修複。同時，該陶瓷結構可以結合表麵改性策略，設計並製備高性能的複雜結構催化陶瓷器件。這一器件具有優(you) 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(guan) 研究成果以Sophisticated Structural Ceramics Shaped from 3D Printed Hydrogel Preceramic Skeleton為(wei) 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(yang) 計劃創新團隊項目、甘肅省科技計劃和蘭(lan) 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(ti) 輔助製造複雜陶瓷結構的方案