香港城市大学吕坚院士团队：陶瓷3D/4D打印在中国的发展

来源：AMF增材制造前沿

增材制造（快速成形）技术已在我国发展 30 余年，为向全球学者介绍中国的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 执行主编李涤尘教授的带领下，组织策划了“中国增材制造 30 年发展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通过十余个国内增材制造领域的代表性团队的高质量论文，向大家介绍过去 30年来我国增材制造技术的发展历程、主要研究成果以及未来发展趋势。

引用论文

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.

文章链接：

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


1 研究现状

30年来，中国在逐点/线/面打印陶瓷技术上取得一系列成果，涵盖材料研发、工艺优化、结构设计、性能调控和功能应用。4D打印方面，在新材料（4D打印弹性体衍生陶瓷）、新工艺（4D增减材复合制造陶瓷）和新功能（4D打印形状记忆陶瓷）取得一定发展。陶瓷打印在航空航天、能源环境、生物医疗等领域具有广泛应用前景。

2 研究难点或瓶颈

目前，陶瓷增材制造领域面临诸多挑战，如高性能陶瓷打印材料的稳定性控制、后处理工艺中的开裂及变形控制、打印精度与效率协同优化、材料固有脆性难题、复杂形状复合功能器件成型、高端打印装备的材料-工艺一体化研发等。此外，4D打印陶瓷技术在新设计、新性能上、新装备发展上的难点是下一阶段突破的重要瓶颈。

3 展望

陶瓷3D打印的精度有待进一步提高，而逐体打印乃至逐群打印是提高陶瓷材料制造效率的关键。随着跨学科研究的发展，结构材料的多材料、多模量、多尺度、多系统、多维度和多功能的增材制造将为材料-结构-性能一体化成型制造和智能制造提供多种解决方案。4D增减材复合制造陶瓷体现了中国传统陶瓷艺术与现代先进制造技术的融合，为制造连接自然与技术的智能仿生结构提供了新的解决方案。4D打印形状记忆陶瓷将在开发功能材料方面发挥重要作用。4D打印的多功能变形材料和驱动机制正在激励研究人员为特定的陶瓷制造需求设计解决方案。同时新型高端制造设备的研发将促进新材料、新工艺、新功能的发展。

4 代表性图片

表1 逐点/线/面打印陶瓷技术分类及对应术语

图1 陶瓷4D打印在新材料、新工艺、新功能上的发展体系

图2 陶瓷打印前景：(a)陶瓷3D打印技术的发展趋势；(b) 结构材料增材制造的多元化展望；(c) 陶瓷4D打印的潜在应用

作者介绍

吕坚（团队带头人），法国国家技术科学院（NATF）院士，香港工程科学院（HKAES）院士，AMF副主编，香港城市大学工学院院长，机械工程讲席教授，国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心主任，先进结构材料研究中心主任，深圳福田研究院先进结构材料与增材制造研究部主任，沈阳材料科学国家研究中心大湾区研究部主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中(CETIM)高级研究工程师和实验室负责人、法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、香港城市大学院长，副校长兼研究生院院长。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等专业期刊上发表论文500余篇，引用4万4千余次，已取得86项欧、美、中授权专利。

个人主页：

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

鲁馨雅（第一作者），香港城市大学材料科学与工程学院博士生，从事3D/4D打印高温材料及新型装备研发相关研究。在Adv. Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Addit. Manuf. Front.、Corros. Sci.期刊发表论文4篇，申请美国发明专利3项、中国发明专利3项，获中国材料大会暨世界材料大会“高水平学术墙报”奖。

刘果（共同第一作者），中国科学技术大学特任研究员、博士生导师，入选中国科学院人才引进项目。2013年于中国科学技术大学获得学士学位，2018年于香港城市大学获得博士学位（导师：吕坚院士），随后在香港城市大学从事博士后研究，主持香港研究资助局博士后奖学金计划。长期从事纳米复合陶瓷材料的3D/4D增减材复合制造技术及相关新型装备的研发，以第一/通讯作者（含共同）在Sci. Adv.、Adv. Mater.（Back Cover论文）、J. Mater. Sci. Technol.（Cover论文）、Mater. Sci. Eng. R Rep.（ESI高被引论文）、Engineering、Ceram. Int.、Rare Metals、Addit. Manuf. Front.期刊上发表论文，获授权2D/3D/4D打印陶瓷技术系列美国发明专利5项、中国发明专利5项。获评“中国十大新锐科技人物”，担任Advanced Powder Materials青年编委、香港发明创新总会及广东省机械工程学会增材制造（3D打印）分会的理事、损伤与断裂力学及其工程应用研讨会分会主席。