陶瓷拉伸器

4D打印是一种基于3D打印发展的新型制造技术。相比3D打印，4D打印将智能材料和力学设计融入制造过程。因此在外界环境刺激（如光、热、电、磁等）下，4D打印结构可随时间产生形状或功能的改变，在生物医疗、航空航天等领域有着广阔的应用前景。目前，实现4D打印的材料主要局限于水凝胶、形状记忆聚合物和液晶弹性体等智能软材料，而对于陶瓷类材料的4D打印仍存在诸多技术瓶颈。现有的陶瓷4D打印主要基于墨水直写工艺，且需模具实现结构预编程，效率和精度有待提高。数字光处理（DLP）技术是一种通过紫外光面投影成型的高精度3D打印技术，但将该技术用于陶瓷4D打印仍面临以下几个挑战：（i）缺乏具有大变形能力的光固化陶瓷弹性体树脂；（ii）缺乏与陶瓷弹性体树脂匹配的光固化驱动材料；（iii）缺乏可以一体化成型陶瓷弹性体-驱动材料的多材料3D打印技术和装备。2024年1月26日，南方科技大学机械与能源工程系葛锜教授与西安交通大学原超副教授研究团队提出了一种简单高效的陶瓷4D打印制造方法和设计策略。采用团队自主开发的多材料光固化3D打印设备制造水凝胶-陶瓷弹性体层合结构，通过水凝胶失水驱动层合结构由平面图案演化为复杂三维结构，在无需额外形状编程的条件下实现陶瓷结构的直接4D打印。该研究成果以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。南方科技大学机械与能源工程系研究助理教授王荣、西安交通大学副教授原超和南方科技大学博士研究生程健翔为论文共同第一作者。西安交通大学原超副教授和南方科技大学葛锜教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。图1展示了陶瓷4D打印的基本流程。采用南科大葛锜教授课题组自主研发的多材料光固化3D打印设备一体化成型界面牢固的水凝胶-陶瓷弹性体层合结构，通过水凝胶失水驱动平面图案演化为复杂三维结构，进而利用高温脱脂和烧结得到纯陶瓷三维结构。图1. 陶瓷4D打印的基本原理和流程。图2展示了研究团队为陶瓷4D打印开发出的低粘度光敏陶瓷弹性体浆料和丙烯酸水凝胶前驱体。固化成型的陶瓷弹性体生坯具有大变形能力，可承受高达700%的拉伸应变，其力学性能可通过改变浆料中交联剂含量来调控。水凝胶作为驱动材料，在失水过程中可实现高达65%的体积收缩率和40倍以上的模量提升，在变形失配诱导下带动层合结构产生整体弯曲变形，其更重要的是，光固化陶瓷弹性体-水凝胶层合结构界面韧性好，保证其在变形过程中不会发生界面剥离。图2. 光固化陶瓷弹性体和水凝胶材料的性能表征。如图3所示，在烧结过程中，弯曲的层合结构发生了曲率回撤现象。通过实验研究和有限元模拟，研究团队将现象归因于烧结过程中层合结构厚度方向的不均匀收缩。综合考虑水凝胶失水过程中层合结构变形以及烧结过程中陶瓷结构曲率回撤现象，研究团队建立了基于相转变的本构模型描述水凝胶脱水的刚度增加和体积收缩，进而结合层合梁理论预测陶瓷弹性体-水凝胶层合结构的脱水弯曲过程，最后将陶瓷烧结过程中变形梯度引发的非均匀收缩引入理论模型，计算最终的结构弯曲变形，理论预测与实验结果取得了很好的一致性。利用理论模型绘制的设计机制图可以定量呈现结构变形与结构参数的映射关系，为水凝胶-陶瓷层合结构设计提供了有效指导。图3. 烧结过程中陶瓷结构曲率回撤现象及其理论模型预测。图4展示了陶瓷4D打印的逆向设计流程：1）通过三维建模提取目标构型特征参数；2）设计平面图案确定待定设计参数；3）理论模型计算待定设计参数；4）有限元模拟预测三维形状；5）多材料打印实现层合结构到目标三维形状的构型转换。以正四面体为例，具体展示了陶瓷4D打印的设计流程，实验结果与最初的设计目标一致。图4. 陶瓷4D打印的逆向设计流程。如图5所示，通过对平面层合结构进行多样化图案设计，可实现如立方体盒子、Miura折纸结构、鹤、三叶风扇和蝎子等各种三维陶瓷结构。与模具辅助变形和手动折叠等方法相比，基于水凝胶失水驱动的陶瓷直接4D打印技术能够更简单、更高效、更精准地制造各三维陶瓷结构，为复杂陶瓷结构的设计和制造开辟了新的途径。图5. 陶瓷4D打印的复杂三维结构。MultiMatter C1基于高精度数字光处理3D打印技术和独家离心式多材料切换技术，MultiMatter C1多材料3D打印装备可实现任意复杂异质结构快速成型，在力学超材料、生物医学、柔性电子、软体机器人等领域具有重要应用潜力。设备亮点离心式多材料切换技术:独家开发的离心式多材料切换技术可实现高效材料切换和残液去除。离心转速可调，最高达8000转/分钟，60秒内即可完成多材料切换，单次打印多材料切换最大次数高达2000次，处于业内领先水平。可打印材料范围广:该设备支持粘度在50-5000 cps范围内的硬性树脂、弹性体、水凝胶、形状记忆高分子和导电弹性体等材料及这些材料组合结构的多材料3D打印，为不同行业和应用领域，提供了材料选择的灵活性。多功能多材料耦合结构实现：该设备可打印高复杂度、高精度、多功能、多材料耦合结构，支持同时打印2种材料，可打印层内多材料和层间多材料，且多材料层内过渡区尺寸在200μm以内，为复杂多材料结构制造提供高精度解决方案。

2006年7月10日，国家质检总局公布了对北京等10省市60家企业生产的60种日用陶瓷产品的抽查结果，47种产品合格，产品合格率为78.3%。 7种产品铅溶出量严重超标。 　　2010年12月15日，广西质监局通报食品相关日用陶瓷产品抽样检验结果，此次共抽检日用陶瓷产品共223个批次样品，发现有4个批次样品的铅溶出量不符合相关标准的规定。 　　2012年3月6日，广东省工商局发布流通领域日用陶瓷质量监测情况通报，在180款被抽查的产品中有46款不合格，合格率仅为74.4%。其中有9款产品还被检出铅镉超标，而且其中六款都由正规厂家生产。 　　以上的数据表明：我国日用陶瓷铅溶出量超标情况并没有改善。今年，9款铅镉超标产品中，66.7%由正规厂家生产。这个比例暴露了国家相关部门对陶瓷企业监管不力。 　　鲜艳陶瓷体“铅”藏身何处? 　　陶瓷本身缺乏光泽，只有在表面施釉才能光亮。釉本身很难薄薄地、均匀地涂饰在陶瓷表面，需要添加助溶剂。而铅是一种低于300度熔点的金属，是理想的助溶剂，因此长期作为陶瓷釉料的助溶剂。准确地说，对人造成危害的不是陶瓷中存在的铅和镉，而是容易溶出从而进入食物(包括水、饮料)的铅镉离子。 　　(标准：根据国际标准化组织的规定，接触食物的陶瓷器皿铅溶出量不得大于1-5毫克/升，镉溶出量不得大于0.1-0.5毫克/升。) 　　儿童大脑对铅最敏感排铅能力只有成人的1/17 　　人们几乎每天都要使用的陶瓷餐具、茶具、咖啡具的陶瓷器皿，往往含有可以溶出的铅和镉。尤其在食物、水温度比较高时，有一定酸度时，例如在餐具中有醋，铅镉离子更容易溶出，随着食物和水进入人体。 　　研究已证实，铅可引起人体中枢神经系统的损害，从而导致行为改变，还能引起小细胞性贫血。慢性铅中毒还能干扰免疫系统功能，导致慢性铅中毒甚至死亡。 　　大连医科大学附属第二医院儿科医师闫冬表示：“儿童代谢旺盛，吸收强、排泄弱，导致铅更容易在儿童体内蓄积。从胎儿到6岁，是人的大脑对铅暴露最敏感的阶段。儿童排铅的能力却只有成人的1/17，再加上儿童口、手动作多，易触及和吞食含铅颗粒，所以儿童比成人更易发生铅中毒。” 　　购买国外名牌瓷器是否最明智? 　　发达国家不仅陶瓷制品铅镉溶出允许值标准高，而且标准执行很严格，应该说可以保证无毒无害。但是这些国家陶瓷制品价格昂贵，运到国内万里迢迢，除了极少数人，绝大多数国人难以问津。 　　但有孩子的父母认为，既然国内的陶瓷产品频频铅超标，为了保障小孩子的健康安全成长，何不花多一点钱，选择外国牌子呢? 　　且要看看外国牌子是否能信得过，决不能因为贴着“国外引进”的标签就对其刮目相看。不久前，香港海关抽查了来自日本、意大利、英国、葡萄牙等国的600款瓷器餐具，包括大小不同的碗、碟、杯和汤匙，结果有526款不符合国际标准规定，释放出过量的重金属铅，不合格率高达88%。 　　选购彩陶有高招 　　专家建议，釉上彩陶瓷较容易用目测和手摸来识别———凡画面不及釉面光亮，手感欠平滑甚至画面边缘有凸起感的千万要慎购。更可靠的方法是要求经销商或生产企业提供该产品的质量检验报告，这比肉眼观察要保险得多。 　　对不放心的产品，可用醋浸泡几个小时，若发现颜色有明显变化则应该弃之不用。 　　另外，使用时应该注意，对盛装食物的用具，应该注意与食物接触面的装饰不要多 盛装酸性食物的器皿，应该尽量选用表面装饰图案较少的产品。 　　不要因为颜色亮丽和价格便宜而选择地摊货。据了解，街头地摊与肩挑小贩所售的陶瓷餐具，大多数是一些土烧制的，上市前根本没有经过任何检验，有的瓷餐具表面的色釉经轻轻一擦，就出现剥落褪色，铅与镉的溶出量是否超标可想而知。

多功能拉伸流变仪 VADER 1000单剪切和单轴延伸之间存在根本区别。 然而，在剪切中，材料的横截面积在流动的存在下是固定的，典型的是拉伸流动引起材料的横截面积随时间的变化。 因此，应变和应力的定义需要精确测量力和横截面积。 对于VADER 1000的工作原理，称为长丝拉伸流变学，应变和应力由下式给出：产品规格：仪器功能最小应力（取决于称重传感器范围）15Pa最大应力（取决于称重传感器范围）1×1010Pa最大Hencky应变力（计算）9最小应变率（假设理想的轴向变形计算。根据样品属性可能降低速率。）0.0001s-1最大应变率（考虑闭环控制。想获得更高的速率，请咨询。）5s-1建议最小的样品粘度（这是为了尽量减少表面张力的影响。根据施加的速率，可能的粘度较小。）1000Pa.s最小直径0.1mm最大直径10.0mm最小温度周围环境温度最大温度250℃气流（可选燃气加热器）5L/min最小轴向速度0.001mm/s最大轴向速度600mm/s温度控制温度传导箱可选温度传导箱 VADER 1000配有三区导气箱，可确保温度均匀性，稳定性和响应时间。 传导箱采用陶瓷绝缘，可以以避免过多的热量损失。专利待定烤箱安装在特殊的滑动系统上，可以在不降低温度的情况下快速更换样品。传导箱可以达到-250°C的环境温度。 VADER 1000具有可选的温度对流箱附件，可减少加热时间，确保整个烤箱腔内的温度均匀，并使用惰性气体防止样品在测试过程中降解。对流式温度箱配有安全开关，当导热炉处于向上位置时，它会自动关闭气流。 所有连接均为不锈钢，可使用各种气体。底部对流板允许插入气体进入样品室，防止氧化并确保温度均匀。创新点：ADER 1000配有三区导气箱，可确保温度均匀性，稳定性和响应时间。 传导箱采用陶瓷绝缘，可以以避免过多的热量损失。 专利待定烤箱安装在特殊的滑动系统上，可以在不降低温度的情况下快速更换样品。 传导箱可以达到-250° C的环境温度。 多功能拉伸流变仪 VADER 1000