[发明专利]构造四维打印的陶瓷物体的方法

说明书

本发明公开了一种构造4D打印的陶瓷物体的方法，包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和陶瓷前驱体的墨水，以将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体；将3D打印的弹性物体折叠成复杂结构以形成4D打印的预应变弹性物体；以及将4D打印的预应变弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体。

技术领域

本发明涉及陶瓷结构的打印。具体地说，本发明的实施例涉及使用高分子化合物打印可折叠物体。折纸的具体实施例以这样的方式打印，使得物体的折叠凭借材料特性而发生。

背景技术

在本说明书中，应该理解，术语“折纸”是指将薄片折叠成三维(3D)物体的过程。

在制造和3D打印的环境中，提及“折纸”装配是指使3D打印物体“折叠”成更复杂形状的过程。

这种折叠可以通过毛细作用力、通过使用机械感应器、或通过形成3D打印物体的材料固有的形状记忆机构来发生。

在口语中，类似折纸的3D打印物体(即，通过其固有结构和/或材料的使用而能够随时间移动或变形的物体)通常通过称为四维(4D)打印的过程而制造。因此，在本说明书的上下文中，将理解的是，对“4D打印物体”的任何引用是对使用3D打印技术打印的物体的引用，但是由于物体的固有属性，其能够随时间变换。相应地，4D打印是指采用3D打印机构或方法的打印过程，并且在某些情况下，在进行形状变形步骤之前，采用产生4D打印物体的方式。

可以理解的是，4D打印物体和4D打印技术可以应用在包括机器人技术、生命科学应用和仿生4D打印等的多个领域中。

通过陶瓷前驱体的热分解制备的聚合物衍生陶瓷(PDCs)除了机械抗摩擦学性能外，还表现出常规陶瓷的显著性能，例如高热稳定性、耐氧化和耐腐蚀的化学特性。PDCs的微观结构和性质可以通过调节聚合物体系和热解条件进行调整。

陶瓷前驱体的增材制造是用于构建复杂陶瓷结构的最先进的技术。但是，硅树脂在用于聚合物向陶瓷转化的完全交联后不够柔软，很难弯曲。

正是在这种背景下开发了本发明。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种构造4D打印的陶瓷物体的方法，所述方法包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和陶瓷前驱体的墨水，以将墨水沉积在加热板上，由此在加热板上形成3D打印的弹性物体；将3D打印的弹性物体折叠成复杂结构以形成4D打印的预应变弹性物体；以及将4D打印的预应变弹性物体转换成4D打印的陶瓷物体。

在一个实施方式中，颗粒是二氧化锆纳米颗粒。

在一个实施方式中，陶瓷前驱体是聚二甲基硅氧烷。

在一个实施方式中，加热板的温度在30℃至400℃的范围内。

在一个实施方式中，3D打印的弹性物体的折叠通过金属线来实现。

在一个实施方式中，4D打印的预应变弹性物体到4D打印的陶瓷物体的转换通过在真空中或在惰性气氛下热解发生。

在一个实施方式中，4D打印的陶瓷物体具有混合的高斯曲率。

该混合的高斯曲率可以是有利的，因为弹性体的拉伸性提供了构建复杂结构的机会。

在一个实施方式中，4D打印的陶瓷物体具有100μm或更大的尺寸。

在一个实施方式中，墨水由颗粒在陶瓷前驱体中均匀分布形成，并且其中，墨水中颗粒的重量百分比在1％至90％的范围内，以及墨水中陶瓷前驱体的重量百分比在10％至99％的范围内。

在一个实施方式中，4D打印的预应变弹性物体到4D打印的陶瓷物体的转换的加热温度为400℃至2000℃。