香港城市大學(xué)呂堅(jiān):2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復(fù)合材料(3)
我能做什么?第一,我可以打印這個(gè)前驅(qū)體,通過預(yù)變形,形成我需要的復(fù)雜的形狀,這種形狀經(jīng)過燒結(jié)以后基本上保持這個(gè),我們可以先預(yù)測它燒結(jié)以后變形,可以得到很復(fù)雜形狀的陶瓷。為什么叫4D打印,我的前驅(qū)體打印在一個(gè)可變形的基體上,同一個(gè)工藝出來的形狀不同,通過不同的預(yù)應(yīng)變設(shè)計(jì),出來復(fù)雜的幾何形狀。可以做什么?藍(lán)色是前驅(qū)體,預(yù)拉伸的前驅(qū)體打完以后出來很復(fù)雜的陶瓷形狀,經(jīng)過燒結(jié),這些使我們未來高溫材料的設(shè)計(jì)空間得到了大幅度的拓展,我可以設(shè)計(jì)出來各種各樣的結(jié)構(gòu),只要能夠設(shè)計(jì)出來,我們就有辦法通過這種方式把它打印出來。打印多么復(fù)雜的陶瓷,你只要想得出來的都能打印,前面要經(jīng)過一些復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算,下面是一些重要的應(yīng)用,比如說手機(jī)的殼,5G的手機(jī)肯定是玻璃,陶瓷,或者恢復(fù)還原成高分子材料,陶瓷是最理想的,第一,它的性能比較好,第二是比較美觀。如何大規(guī)模打印提高它的強(qiáng)度,它這種含了納米微孔,整個(gè)的比重只有1左右,所以我完全可以打印非常輕的結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在做如何大幅度提升它的力學(xué)性能,通過設(shè)計(jì)做出一些新的構(gòu)架。從力學(xué)性能來講抗壓強(qiáng)度非常高,將近547個(gè)MPA左右,也是在各種陶瓷,特別是打印的陶瓷里面非常好,跟其他傳統(tǒng)的前驅(qū)體打印后燒結(jié)出來的比,強(qiáng)度高了20倍。力學(xué)性能接近的這些材料,打印的尺寸大大小于現(xiàn)在的尺寸,我們這個(gè)尺寸現(xiàn)在已經(jīng)打出來,高了兩個(gè)數(shù)量級,100倍,大家可以看到氧化鋁跟我們差不多。我們的紅點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)在外面,我們的尺寸沒有特別大的局限,主要做一個(gè)大的機(jī)器,理論上可以打比較大的陶瓷。

第二個(gè)例子是生物醫(yī)學(xué),3D打印已經(jīng)用的越來越多,鈦合金用的非常多,它最大的問題是應(yīng)力和抗摩擦磨損的性能,抗摩擦磨損的性能我們可以通過SMAT Processing進(jìn)行處理,大家做納米粉知道球磨,這個(gè)對整體三維或者復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行球磨的方式,不是先做粉,我直接在復(fù)雜的零部件上做這個(gè)東西,所以我完全可以做3D打印機(jī),在這個(gè)下面混到一起直接打印。
第一步做的3D打印我先進(jìn)行處理,處理了以后,看它的形狀多少,看它的力學(xué)性能多少,我們做的第一個(gè)例子,3D打印疲勞性能到底能夠提高多少,一般的3D打印用SMAT處理,這個(gè)例子,疲勞3D打印機(jī)做鈦合金的,一般300到360MPA,你要用HIP后處理的話就是360,通過SMAT,用標(biāo)準(zhǔn)的疲勞試樣,我可以從360左右提高到560左右,大幅度提高它的疲勞極限,也可以大幅度提高它的疲勞強(qiáng)度和壽命,這個(gè)是未來發(fā)展的一種方式。一種是3D打印完直接處理,疲勞可以在表面發(fā)生,我可以影響幾百個(gè)μ,大幅度提高它的疲勞極限,另外把這種方法直接跟3D打印機(jī)結(jié)合在一起,把整體都密集化深入加入殘余壓力,這種方法整體提高疲勞結(jié)構(gòu)和疲勞性能。
我今天介紹幾個(gè)具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)幾種類型的具有顛覆性性質(zhì)的新型生物結(jié)構(gòu)材料及相關(guān)的潛在應(yīng)用方案,第一個(gè)介紹接近理論值超高強(qiáng)度超納及納米生物結(jié)構(gòu)材料,鎂合金和鈦合金,3D打印4D打印可以制備復(fù)雜的陶瓷或者金屬結(jié)構(gòu),該技術(shù)可以制備復(fù)雜形狀的陶瓷及生物材料,在航空航天或者輕型防彈等需要制備復(fù)雜形狀的高溫材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,比如說在核能里有一些吸收中子的高溫材料需要復(fù)雜形狀也可以用這種方式實(shí)現(xiàn),SMAT是大幅度提高打印金屬生物假肢強(qiáng)度與航空零部件壽命的有效途徑,所以可以處理任何復(fù)雜形狀,并提高它零部件的疲勞性能和生物相容性。
這是我的團(tuán)隊(duì),感謝在歷史上支持過我們的各大公司的相關(guān)的技術(shù),有日本的,有歐盟的,有美國的,都有支持,我的分享完畢,謝謝大家。
文獻(xiàn)鏈接:
1. LIU, Guo, et al. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures. Science advances, 2018, 4.8: eaat0641.
https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641
2. WU, Ge, et al. Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys. Nature, 2017, 545.7652: 80.
https://www.nature.com/articles/nature21691
3. Yan, Xingchen, et al. "Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition." Materials Research Letters 7.8 (2019): 327-333.
https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2019.1609110
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