香港城市大學呂堅院士團隊：陶瓷3D/4D打印在中國的發(fā)展

來源：AMF增材制造前沿

增材制造（快速成形）技術已在我國發(fā)展 30 余年，為向全球學者介紹中國的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 執(zhí)行主編李滌塵教授的帶領下，組織策劃了“中國增材制造 30 年發(fā)展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通過十余個國內增材制造領域的代表性團隊的高質量論文，向大家介紹過去 30年來我國增材制造技術的發(fā)展歷程、主要研究成果以及未來發(fā)展趨勢。

引用論文

Xinya Lu, Guo Liu, Jian Lu. Development of Ceramic 3D/4D Printing in China. Additive Manufacturing Frontiers, 2024, 200158.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200158.

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000480


1 研究現(xiàn)狀

30年來，中國在逐點/線/面打印陶瓷技術上取得一系列成果，涵蓋材料研發(fā)、工藝優(yōu)化、結構設計、性能調控和功能應用。4D打印方面，在新材料（4D打印彈性體衍生陶瓷）、新工藝（4D增減材復合制造陶瓷）和新功能（4D打印形狀記憶陶瓷）取得一定發(fā)展。陶瓷打印在航空航天、能源環(huán)境、生物醫(yī)療等領域具有廣泛應用前景。

2 研究難點或瓶頸

目前，陶瓷增材制造領域面臨諸多挑戰(zhàn)，如高性能陶瓷打印材料的穩(wěn)定性控制、后處理工藝中的開裂及變形控制、打印精度與效率協(xié)同優(yōu)化、材料固有脆性難題、復雜形狀復合功能器件成型、高端打印裝備的材料-工藝一體化研發(fā)等。此外，4D打印陶瓷技術在新設計、新性能上、新裝備發(fā)展上的難點是下一階段突破的重要瓶頸。

3 展望

陶瓷3D打印的精度有待進一步提高，而逐體打印乃至逐群打印是提高陶瓷材料制造效率的關鍵。隨著跨學科研究的發(fā)展，結構材料的多材料、多模量、多尺度、多系統(tǒng)、多維度和多功能的增材制造將為材料-結構-性能一體化成型制造和智能制造提供多種解決方案。4D增減材復合制造陶瓷體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)陶瓷藝術與現(xiàn)代先進制造技術的融合，為制造連接自然與技術的智能仿生結構提供了新的解決方案。4D打印形狀記憶陶瓷將在開發(fā)功能材料方面發(fā)揮重要作用。4D打印的多功能變形材料和驅動機制正在激勵研究人員為特定的陶瓷制造需求設計解決方案。同時新型高端制造設備的研發(fā)將促進新材料、新工藝、新功能的發(fā)展。

4 代表性圖片

表1 逐點/線/面打印陶瓷技術分類及對應術語

圖1 陶瓷4D打印在新材料、新工藝、新功能上的發(fā)展體系

圖2 陶瓷打印前景：(a)陶瓷3D打印技術的發(fā)展趨勢；(b) 結構材料增材制造的多元化展望；(c) 陶瓷4D打印的潛在應用

作者介紹

呂堅（團隊帶頭人），法國國家技術科學院（NATF）院士，香港工程科學院（HKAES）院士，AMF副主編，香港城市大學工學院院長，機械工程講席教授，國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心主任，先進結構材料研究中心主任，深圳福田研究院先進結構材料與增材制造研究部主任，沈陽材料科學國家研究中心大灣區(qū)研究部主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，機械系統(tǒng)仿真模擬設計。曾任法國機械工業(yè)技術中(CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人、法國特魯瓦技術大學機械系統(tǒng)工程系系主任、法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統(tǒng)與并行工程實驗室主任、香港理工大學機械工程系系主任、講座教授、香港城市大學院長，副校長兼研究生院院長。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西安交通大學、西北工業(yè)大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等專業(yè)期刊上發(fā)表論文500余篇，引用4萬4千余次，已取得86項歐、美、中授權專利。

個人主頁：

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

魯馨雅（第一作者），香港城市大學材料科學與工程學院博士生，從事3D/4D打印高溫材料及新型裝備研發(fā)相關研究。在Adv. Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Addit. Manuf. Front.、Corros. Sci.期刊發(fā)表論文4篇，申請美國發(fā)明專利3項、中國發(fā)明專利3項，獲中國材料大會暨世界材料大會“高水平學術墻報”獎。

劉果（共同第一作者），中國科學技術大學特任研究員、博士生導師，入選中國科學院人才引進項目。2013年于中國科學技術大學獲得學士學位，2018年于香港城市大學獲得博士學位（導師：呂堅院士），隨后在香港城市大學從事博士后研究，主持香港研究資助局博士后獎學金計劃。長期從事納米復合陶瓷材料的3D/4D增減材復合制造技術及相關新型裝備的研發(fā)，以第一/通訊作者（含共同）在Sci. Adv.、Adv. Mater.（Back Cover論文）、J. Mater. Sci. Technol.（Cover論文）、Mater. Sci. Eng. R Rep.（ESI高被引論文）、Engineering、Ceram. Int.、Rare Metals、Addit. Manuf. Front.期刊上發(fā)表論文，獲授權2D/3D/4D打印陶瓷技術系列美國發(fā)明專利5項、中國發(fā)明專利5項。獲評“中國十大新銳科技人物”，擔任Advanced Powder Materials青年編委、香港發(fā)明創(chuàng)新總會及廣東省機械工程學會增材制造（3D打�。┓謺�的理事、損傷與斷裂力學及其工程應用研討會分會主席。