压缩屈曲引起的方法对弹性体衍生的陶瓷结构进行四维打印的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种构造4D打印陶瓷物体系统和方法，所述方法包括以下步骤：通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合物陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构，使第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力，将第二弹性结构附着到第一弹性结构，释放来自第一弹性结构的拉伸应力的施加，以允许第一弹性结构和第二弹性结构形成4D打印的弹性体物体，并将4D打印的弹性体物体转变成4D打印陶瓷物体。

【技术实现步骤摘要】
压缩屈曲引起的方法对弹性体衍生的陶瓷结构进行四维打印的系统和方法
本专利技术涉及陶瓷结构的制造。特别地，本专利技术的实施例涉及使用弹性体衍生的化合物打印陶瓷结构。以这样的方式打印陶瓷结构的具体实施例使得通过使结构经受机械力、温度变化和化学处理来使结构的形状变形。
技术介绍
在本说明书中，应理解术语“折纸”是指将薄片折叠成三维(3D)物体的过程。在制造和3D打印的背景下，参考“折纸”组装，是指使3D打印物体“折叠”或变形为更复杂形状的过程。可以通过使用机械感应器、或正面光聚合、或通过形成3D打印物体的材料固有的形状记忆机制，通过施加毛细力而发生这种折叠。在口语中，4D打印物体(即，由于物体固有结构和/或材料的使用，物体能够随时间移动或转变)通常通过称为四维(4D)打印的过程制造。因此，在本说明书的上下文中，将理解的是，对“4D打印物体”的任何引用是指使用3D打印技术打印的物体，但是由于物体的固有属性，因此能够随着时间转变。相应地，4D打印指的是采用3D打印机构或方法的打印过程，并且在一些情况下，接着是形状变形步骤，其以使得产生4D打印物体方式进行。可以理解的是，4D打印物体和4D打印技术可以应用于许多领域，包括机器人技术、生命科学应用和仿生4D打印。聚合物衍生陶瓷(PDC)是一种陶瓷，其通过聚合陶瓷前驱体的热分解和化学处理制备。除了摩擦学上的机械阻力，PDC具有传统陶瓷的显著特性，例如高热稳定性、耐化学腐蚀性和耐腐蚀性。可以通过定制的聚合物系统和热解条件，来调节PDC的微结构和性质。陶瓷前驱体的增材制造是一种用于构建复杂陶瓷结构的现有技术。然而，现有的陶瓷前驱体不是柔性的，并且不能充分拉伸，以在聚合物转变到陶瓷之前实现自成型组装。正是在相反于这种背景下研发了本专利技术。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术涉及一种构造4D打印陶瓷物体的方法，所述方法包括以下步骤：-通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合物陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构，使第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力，-将第二弹性结构附着到第一弹性结构，-释放来自第一弹性结构的拉伸应力的施加，以允许第一弹性结构和第二弹性结构形成4D打印的弹性体物体，并将4D打印的弹性体物体转变成4D打印陶瓷物体。在一个实施例中，所述第二弹性结构包括至少一个具有较低弯曲刚度或均匀的弯曲刚度的区域。所述第一弹性结构从所述拉伸应力的释放还包括：向所述第二弹性结构产生相对压缩应力，相对压缩应力使第二弹性结构变形。在一个实施例中，具有减小弯曲刚度的一个或多个区域以屈曲图案布置。所述屈曲图案以Miura-ori图案布置。所述第一弹性结构是平面基板。在一个实施例中，拉伸应力通过将第一弹性结构附着到拉伸装置而提供。拉伸装置是双轴拉伸装置。在一个实施例中，所述第一弹性结构和所述第二弹性结构中的至少一个具有的拉伸比为3。在一个实施例中，所述颗粒是二氧化锆纳米颗粒。在一个实施例中，聚合物陶瓷前驱体是聚硅氧烷。在一个实施例中，聚硅氧烷是聚二甲基硅氧烷。在一个实施例中，所述墨水由所述颗粒在所述聚合物陶瓷前驱体中的均匀分布形成，并且其中，所述颗粒在所述墨水的重量百分比在从1％至90％的范围内，聚合陶瓷前驱体在墨水中的重量百分比在从10％至99％的范围内。在一个实施例中，将所述4D打印弹性体物体转变成所述4D打印陶瓷物体的步骤还包括：在真空中或惰性气氛中，对所述4D打印弹性体物体进行热处理。在一个实施例中，惰性气氛包括氩气。在一个实施例中，加热处理在400℃至2000℃的温度范围内进行。在一个实施例中，将4D打印的弹性体物体转变成4D打印的陶瓷物体的步骤还包括：在真空或惰性气氛下热处理后，使4D打印的弹性体物体在空气中进行进一步的热处理。在一个方面，本专利技术涉及一种用于构造4D打印陶瓷物体的系统，包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合物陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构，使第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力，将第二弹性结构附着到第一弹性结构，释放来自第一弹性结构的拉伸应力的施加，以允许第一弹性结构和第二弹性结构形成4D打印的弹性体物体，并将4D打印的弹性体物体转变成4D打印陶瓷物体。附图说明尽管存在可以落入本专利技术范围内的任何其他形式，现在将仅通过示例的方式、参考附图描述优选实施例，其中：图1示出了根据本专利技术的实施例的压缩屈曲引起折纸方法。图2示出了根据本专利技术的实施例的参考1cm的比例尺，在拉伸应力下陶瓷前驱体的变形。图3示出了根据本专利技术的实施例的参考1cm的比例尺，热处理陶瓷前驱体的影响。图4示出了根据本专利技术的实施例的参考1cm的比例尺，氧化对陶瓷前驱体的影响。图5示出了根据本专利技术的实施例的Miura-ori图案的示意图。图6示出了根据本专利技术的实施例的拉伸装置。图7示出了根据本专利技术的实施例的参考1cm的比例尺的、具有Miura-ori图案的4D打印陶瓷物体的压缩屈曲引起陶瓷折纸的阶段。图8示出了根据本专利技术实施例的形成具有Miura-ori图案的4D打印弹性体物体的过程。图9示出了根据本专利技术实施例的Miura-ori图案的变体的FEA模拟的相图。图10A示出了根据本专利技术实施例的由弹性体形成的Miura-ori图案的变体的实验结果的相图。图10B示出了根据本专利技术实施例的由弹性体衍生的陶瓷形成的Miura-ori图案的变体的实验结果的相图。图11示出了抗压强度密度阿什比图表，图表显示了根据本专利技术实施例的前驱体材料的相对抗压强度。图12示出了根据本专利技术实施例的前驱体材料的强度可扩展性的协同作用。图13A、图13B、图13C、图13D和图13E是与表1中的相关条目的示例性几何表示的图示。图14是表2中的相关条目的示例性几何表示的图示。具体实施例在随后的描述中，某些术语一旦引入，为了简洁起见并且提高可读性而缩写。可以理解，使用这样的缩写不应该被解释为限制性的或以其他方式将技术人員对这些术语的含义赋予的额外的含义时“掩盖”。概括地说，本专利技术的一个方面涉及一种构造4D打印陶瓷物体的方法，该方法包括以下步骤。首先，通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构。第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力。第二弹性结构附着到第一弹性结构，之后施加到第一弹性结构的拉伸应力被释放，以允许第一弹性结构和第二弹性结构形成4D打印的弹性体物体。4D打印的弹性体物体被转变成4D打印的陶瓷物体。另一方面，本专利技术涉及一种用于构造4D打印陶瓷物体的系统，包括：通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构，使得第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力，将第二弹性结构附着到第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构造4D打印陶瓷物体的方法，所述方法包括以下步骤：/n-通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合物陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构，使所述第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力，/n-将第二弹性结构附着到第一弹性结构，/n-释放来自所述第一弹性结构的拉伸应力的施加，以允许所述第一弹性结构和所述第二弹性结构形成4D打印的弹性体物体，并将4D打印的弹性体物体转变成4D打印陶瓷物体。/n

【技术特征摘要】
20180614 US 16/008,2791.一种构造4D打印陶瓷物体的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过喷嘴挤出包括颗粒和聚合物陶瓷前驱体的墨水，以沉积墨水以形成第一弹性结构和第二弹性结构，使所述第一弹性结构沿至少一个轴受到拉伸应力，
-将第二弹性结构附着到第一弹性结构，
-释放来自所述第一弹性结构的拉伸应力的施加，以允许所述第一弹性结构和所述第二弹性结构形成4D打印的弹性体物体，并将4D打印的弹性体物体转变成4D打印陶瓷物体。


2.根据权利要求1所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述第二弹性结构包括至少一个具有较低弯曲刚度或均匀的弯曲刚度的区域。


3.根据权利要求2所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述第一弹性结构从所述拉伸应力的释放还包括：向所述第二弹性结构产生相对压缩应力，所述相对压缩应力使所述第二弹性结构变形。


4.根据权利要求2所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，具有减小弯曲刚度的一个或多个区域以屈曲图案布置。


5.根据权利要求4所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述屈曲图案以Miura-ori图案布置。


6.根据权利要求1所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述第一弹性结构是平面基板。


7.根据权利要求1所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述拉伸应力通过将所述第一弹性结构附着到拉伸装置而提供。


8.根据权利要求7的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述拉伸装置是双轴拉伸装置。


9.根据权利要求1所述的构造4D打印陶瓷物体的方法，其中，所述第一弹性结构和所述第二弹性结构中的至少一个具有的拉伸比为3。


10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坚，刘果，赵岩，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;HK