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4D打印陶瓷

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香港城市大学吕坚教授的研究团队成功研发出一种新型“陶瓷墨水”,并开发了全球首套4D打印陶瓷技术。这种4D打印陶瓷技术结合了3D打印,自变形组装,和弹性体衍生陶瓷,在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度,机械强度,制造成本,和适应环境变化能力上实现了突破,为陶瓷结构的应用开辟了新的一页,有望广泛应用在3C电子产品,首饰和艺术装饰品,生物医疗,太空探索,航空发动机,防弹军事装备,和高温微机电系统等领域中。

该项目正在申请一项中国专利和四项美国专利,并且于8月在国际顶级学术期刊Science Advances上发表论文。该科学突破被世界媒体广泛报道,已被New Scientist(2018年8月17日),《人民日报》(2018年8月19日头版,和21日海外版),《参考消息》(2018年8月19日),新华社(2018年8月25日),和美联社(2018年10月20日)等媒体报道。该技术获得了香港创新科技及制造业联合总会设立的2018年“亚洲国际创新发明大奖”的“金奖”和“创新四维打印发明大奖”(杰出大奖),以及第二十届中国国际高新技术成果交易会的“优秀产品奖”。该技术4D打印陶瓷样品,已于2018年11月被中国3D打印文化博物馆正式收藏。该技术正在与包括手机及手提计算机外壳制造龙头企业,广东省科学院在内的企业和单位洽谈合作中。

该技术有望应用在3C 电子产品上,如手机背板,手表的表壳表圈表链等。相比塑料,陶瓷品质更高;相比金属,陶瓷信号传输更好,更适用于5G和无线充电中;相比玻璃,陶瓷颜值更高,质感更佳,更加抗摔耐磨。不过,陶瓷材料熔点极高,较难加工成型,所以目前陶瓷产品的应用受到了技术和成本上的极大限制。

相比传统的陶瓷成型工艺(如注塑成型,流延成型,模压成型等),该技术有如下优点:

1.  可编程打印,个性化定制

2.  形状复杂程度高,尤其是曲面板和镂空结构

3.  成本低,包括时间和能源

4.  丰富的陶瓷原色和渐变色陶瓷设计

5.  机械性能强(8x8x1mm3网格抗压强度547MPa ,可承受3.5吨载荷,约相当于2.7辆Tesla牌Roadster电动汽车)

6.  密度低(约2 g cm-3  ,是一般氧化锆陶瓷的1/2)

7.  开放式物料系统,可进一步改善外观和散热

8.  可折叠陶瓷板(手机/平板背板等)和弹性陶瓷带(手表/手环表带等)

主要考核指标包括:

1.  可编程性和个性化定制

2.  形状复杂度

3.  成本

4.  机械性能

5.  可折叠性

6.  可拉伸性

据估计(数据来源:中国银河证券研究部),到2020年,全球智能手机及智能手表用陶瓷后盖市场将超300亿元。此项目的4D打印陶瓷3C产品应更注重质量感和差异化,可以通过局部激光烧结技术制备可折叠陶瓷板(手机/平板背板等)和弹性陶瓷带(手表/手环表带等),品牌理念应是科学技术艺术一体化,即国际顶刊论文全球首创陶瓷4D打印+可折叠陶瓷板/弹性陶瓷带+陶瓷折纸/4D打印陶瓷装饰品。该项目的经济效益和社会效益值得期待。

为了更好的满足产品和市场需求,该项目制定了如下技术发展路向,希望可以和投资者一起合作,促成项目落地。

1.  配料:通过调配填充物(如陶瓷颗粒,碳纳米管)改善外观和散热

2.  打印:通过多材料打印制备彩色或渐变色陶瓷手机背板或可穿戴设备,通过改善3D打印方式(如Inkjet Printing喷墨打印)进一步提高打印精度(20-50微米)

3.  烧制:通过改善热处理方式(如Hot Isostatic Pressing热等静压)提高陶瓷硬度和板材平整度;通过局部激光烧结制备可折叠陶瓷结构

4.  变形:通过改善可编程预变形加载方式提高复杂结构(如曲面板和镂空结构)的生产效率和良率

5.  后处理:通过抛光成镜面进一步提高产品的质量


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