出品：科普中国
作者：刘德胜 王晓龙（中国科学院兰州化学物理研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

粘土和水后柔软、可塑，能够被捏制、雕刻和塑形，再通过特殊的干燥和烧制工艺，使得泥土从可塑的状态最终变成坚硬、耐用的陶器或雕塑品，再通过一种特殊的“烘焙”工艺，这种“泥土”就变成了坚硬的陶瓷。柔性水凝胶陶瓷前驱体就是这样的一种“神奇泥土”，有了它，我们就解决了陶瓷制造复杂形状的难题。

那么，我们如何制造出这种“神奇泥土”，又用什么方式将它“烘干”呢？

陶瓷离“高大上”，只差“变柔软”

我们知道，陶瓷材料具有优异的高温稳定性、耐腐蚀性、抗磨损性和良好的电绝缘性，这种优异的物理和化学性能也使陶瓷成为了制造许多日用品的材料。

图片来源：veer图库

其实，除了做成家用的锅碗瓢盆，优点多多的陶瓷完全可以在更多领域发挥作用，但太硬、太脆的特性限制了传统的陶瓷材料（树脂基陶瓷前驱体）在更多“高大上”的场景中得到应用。

首先，传统陶瓷材料难以制造出复杂的形状，尤其是在制造复杂几何形状和内嵌结构时存在显著困难，这是因为陶瓷通材料常通过模压、注浆成型和挤压等方法加工。而陶瓷还需要经过高温烧结才能获得最终的机械性能，这一过程往往导致材料的收缩和变形，限制了复杂结构的精确制造。

第二，传统陶瓷加工方法在制造高精度部件时，尺寸控制较为困难，特别是对于微小尺寸的部件。由于材料收缩和烧结过程中的不可控因素，往往难以实现高精度，而且传统陶瓷烧结后往往需要进行二次加工（如研磨和抛光），这也大大增加了生产成本和复杂性。

此外，在传统制备过程中，陶瓷材料还容易产生裂纹、气孔和其他缺陷，这些缺陷会显著降低材料的机械性能和可靠性，尤其在高精度、高强度的应用场景下，这些缺陷是不可接受的。

图片来源：veer图库

为此，科学家们开始思考，能否开发出一种能在特定环境下改变形状或性能的“神奇泥土”，让陶瓷材料更大程度地发挥作用呢？

想要“刚柔并济”，只需把陶瓷“掺”进水凝胶

想要制造这样一种“神奇的泥土”并非易事，我们既需要它在成型阶段像橡皮泥一样柔软易塑，又希望它在成型后却像陶瓷一样坚硬耐用。显然，现有的材料很难满足这样矛盾的要求。

受到剪纸艺术以及智能材料的启发，研究人员想到，柔性水凝胶就是一种具有一定的可变形性的材料，它能在加工或使用过程中展现出多样化的性能。那么，能不能让陶瓷结合这种材料的特性，使它像剪纸一样被“裁”成我们需要的形状呢？

中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室团队一直从事3D打印水凝胶和陶瓷材料的研究工作，我们想将这两种截然不同的材料结合起来，借助水凝胶的柔性，经过相变实现陶瓷的硬度，进而达到“以柔制刚”的理想效果。

然而，问题很快就显现出来，水凝胶和陶瓷的物理性质差异巨大，导致材料很难在成型后保持稳定的结构，且存在较大的尺寸收缩和结构开裂问题。

为了能将两种材料更好地结合，我们想到了团队之前发表过的一项成果——利用水性无机粘结剂制造低温烧结和超低收缩陶瓷的基本方法。于是，我们尝试性地将水凝胶单体溶解到这种水性无机粘结剂中，并引入一定量的陶瓷粉体，制造出了一种具有可光固化性能的水性陶瓷浆料。

我们发现，将这种材料经过光固化后，再依次经过干燥、脱脂和烧结，可以制造出一种超低收缩的陶瓷，并且没有开裂现象。这意味着，“神奇泥土”——柔性水凝胶陶瓷前驱体被成功研制了出来！

光固化3D打印水凝胶柔性前驱体辅助制造复杂陶瓷结构的方案

（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）

水凝胶前驱体的制备过程是怎么样的呢？

1.以磷酸二氢铝溶胶为分散介质，混合水凝胶单体和纳米陶瓷粉体制备光敏性水凝胶陶瓷浆料。

2.将丙烯酰胺和丙烯酸等这样的水凝胶单体、水溶性的引发剂LAP、氧化铝和羟基磷灰石等纳米陶瓷粉体与该团队自己制备的磷酸二氢铝溶胶混合来制备光敏性的水凝胶陶瓷浆料。水凝胶单体主要是赋予陶瓷浆料优异的光固化性能，磷酸二氢铝溶胶不仅作为分散介质，还作为陶瓷的粘结剂。

这一研究成功结合了柔性与刚性，也为材料科学家提供了一种全新的思考方式——材料不再仅仅是单一特性的体现，而是可以通过多种特性的有机结合，实现更加复杂和广泛的应用。

从平面到立体，3D打印陶瓷优势多多

想要让陶瓷得到更广泛的应用，除了解决塑形的问题，我们还得考虑怎么让“神奇泥土”变得坚硬。对此，研究人员想到了3D打印。

3D打印技术能够运用一些可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造实体零件。如果能将其与柔性水凝胶陶瓷前驱体结合起来，我们就能够打造出更复杂结构的产品或器件，使其适用于更多的应用场景。

具体来说，我们可以先利用光固化3D打印技术获得具有优异延展性、形状适应性和抗疲劳性的水凝胶柔性骨架。再经过脱水干燥、低温脱脂和高温烧结等步骤，使其变得质地坚硬，形成超低收缩、高陶瓷产率和形状保真度的陶瓷结构。

这项技术在材料科学和制造技术上实现了三维复杂结构器件的制造重要突破，推动了新型陶瓷材料在多个领域的应用。

在医学领域，柔性水凝胶陶瓷前驱体可以用于制造与患者解剖结构完全匹配的植入物，例如可以针对患者不同的颅骨缺损形状，利用水凝胶柔性骨架的可变形性，个性化制造出陶瓷结构来实现骨缺陷部位修复。

在航天领域，它可以与其他功能性材料复合，制造复杂的航空航天结构件。陶瓷材料的高导热性和耐热性使其成为理想的散热材料，可以制作电子元件，结合这项技术能够制造出精确设计的散热片，提升电子产品的性能和可靠性。此外，它还可以结合表面改性策略，制备具有优良的催化活性和稳定性的复杂结构催化陶瓷器件……

水凝胶柔性前驱体辅助制造的无支撑、大跨度复杂结构陶瓷器件

（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）

打破局限，优势多多

柔性水凝胶基陶瓷前驱体与3D打印技术的结合，突破了传统硬质或脆性陶瓷前驱体来制造复杂陶瓷结构的局限，带来了许多优势：

1.设计更自由，实现功能集成

由于柔性陶瓷前驱体在固化前具有一定的柔性，因此允许人们对其进行更复杂的设计和功能集成，如内部通道、蜂窝结构或多材料组合。3D打印可在保持高精度的同时，实现复杂的、定制化的陶瓷结构。

2.材料性能优化，烧结过程可控

柔性陶瓷前驱体可以在成形过程中保持一定的韧性，减少裂纹和缺陷的产生，从而在最终烧结后的陶瓷材料中实现高的强度和韧性；通过调整3D打印和柔性陶瓷前驱体的组合，研究人员可精确控制材料的烧结过程，从而优化材料的微观结构和性能。

3.制造工艺与设计方法的创新

通过结合智能材料的概念，柔性陶瓷前驱体可在3D打印过程中展现出特定条件下的可编程特性，使得最终的陶瓷产品具有更广泛的应用可能性；结合3D打印技术，柔性陶瓷前驱体可以与其他材料一起打印，形成多材料复合结构，实现在一个组件中结合陶瓷材料的优良性能和其他材料的功能性。

4.创新应用领域拓展

柔性陶瓷前驱体可在生物医学与电子器件中得到广泛应用。如牙科植入物和骨骼替代物仅具备陶瓷材料的生物相容性，还可根据患者的具体需求进行定制；3D打印与柔性陶瓷前驱体的结合可制造出高性能的电子器件，如耐高温绝缘子、传感器外壳等，这些器件需要同时具备高精度和特定的电学性能。

总体来说，3D打印与柔性陶瓷前驱体的结合为制造复杂、高性能陶瓷部件提供了新的途径，推动了材料科学和制造技术的前沿发展。

新型陶瓷结构在立体电路、生物医用及功能催化领域的应用

（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）

3D打印柔性水凝胶前驱体技术的进一步发展，不仅为现有陶瓷产品提供了新的制造方法，还将推动陶瓷材料在更多新兴领域中的应用。这一技术的发展将依赖于多学科合作的创新，最终实现技术的规模化推广和产业化应用。

来源: 中国科普博览

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