Lv Jian: 3/4Dプリントセラミックスと高融点材料の原理、プロセス、応用

読む前に次の質問について考えてください。
1. 4D プリントセラミックスと高融点材料とは何ですか? また、その原理は何ですか?
2. セラミックや高融点材料を 4D プリントするプロセスは何ですか?
3. 4D プリントされたセラミックスや高融点材料はどのような分野で使用できますか?

呂建氏は、香港城市大学の教授、副学長、大学院学部長、先端構造材料研究センター所長を務めています。研究分野には、先端材料およびナノ材料の調製と機械的特性、バイオおよびバイオニック材料の力学（多重安定構造、柔軟なロボット）、先端材料と製品の統合設計が含まれます。彼は、エアバス、EADS、SNECMA、ABB、FIATを含む18の企業、研究機関、大学が参加するEUプロジェクトの主任科学者でした。中国科学院瀋陽金属研究所客員主任研究員、北京科技大学、東北大学、南昌大学名誉教授、西安交通大学、西北工業大学顧問教授、上海交通大学、中南大学、上海大学客員教授。研究成果は、Nature（表紙記事）、Science、Nature Materials、Advanced Materials、Materials Today、Nature Communications、Science Advances、PRL、JMPS、Acta MaterialsなどのSCIジャーナルに350本の論文として掲載されています。 2006年と2017年にフランス政府よりそれぞれレジオンドヌール勲章とレジオンドヌール勲章を授与された。 2011年にフランス国立技術アカデミーの会員に選出され、2018年には中国工程院の光華工程技術賞を受賞しました。

アメリカの製造業の5つの基本要素には、設計、材料、プロセス、積層造形、バリューチェーンが含まれるため、積層造形は非常に重要な分野です。そのため、本校の研究が、これら5つの分野で一定の進歩を遂げることを期待しています。

香港城市大学は、3D プリンターが学部生が 1 年生から使用するツールであるため、3D プリンターの分野で最も急速に発展している世界トップクラスの大学です。同校には数十台の 3D プリンターがあり、美術学部、土木工学部、その他の専攻の学生に提供され、さまざまなオブジェクトを印刷できます。積層造形における当社の主な研究対象には、高付加価値分野（バイオメディカル、航空宇宙）、超ナノ合金、ナノパウダー、新しい「インク」プロセスと関連する焼結プロセス、4D印刷技術、SMAT in-situ 3D印刷による付加価値高密度化などがあります。

生物学の分野では、学校ではさまざまな機械を使用して、さまざまな生物学的部位や臓器を印刷しています。同校では、世界最小の3Dプリンターを使って新しいデザインも作っています。例えば、生命科学の分野では、世界最小の3Dプリンターを使ってマイクロロボットを印刷しています。このロボットには200本の足があり、磁性材料が追加されているため、人間の血管内を走り回って薬を運ぶことができます。この結果はNature Communicationsに掲載されました。

4D プリントセラミックスの原理<br>独創的なイノベーションの 3 つの要素は、独自性、破壊性、最適性であると私は考えています。4D プリントセラミックスは、この原理に基づいて行われます。

超ナノ材料は、積層造形法の一種であるPVDで作られ、液体金属や金属ガラス材料から作られています。金属ガラスは3Dプリントの非常に優れた素材ですが、最大の問題は、普通のガラスと同じように脆すぎることです。近年の一連の研究を経て、当社は金属ガラスの強化の分野で大きな進歩を遂げ、一連の方法と新材料を開発しました。昨年、当社は超ナノ材料という新しい金属材料ファミリーを発表し、ネイチャー誌で中国の構造材料分野で初の表紙記事を獲得しました。これはまた、昨年ネイチャー誌の52誌の中で中国の科学者が発表した唯一の表紙記事でした。

この新しい金属材料の機械的特性は、通常の金属合金やマグネシウム合金よりもはるかに高く、同じ組成の金属ガラスよりもはるかに高く、変形能力は6％です。その機械的特性は材料の理論値に近いです。この成果は幸運にも、昨年、中国自然科学基金の第3季刊誌の表紙記事にもなりました。

スーパーナノマテリアルは、複雑な形状を持つさまざまな材料に使用できる新しいタイプの破壊的材料です。スーパーナノマテリアルフィルムは、ポリマー材料、ガラス、セラミック材料にコーティングできます。

4D プリントされたセラミックスとソフトマターも、独創的なイノベーションの 3 つの要素 (独自性、破壊性、最適性) を満たしています。エラストマー由来の折り紙セラミックスと4Dプリントセラミックスは、2018年8月にサイエンス・アドバンス誌に掲載され、米国最大のウェブサイトであるニューサイエンティスト、AP通信、ロシアの新華社通信など、多くの有名メディアから広く注目を集めました。

4Dプリントセラミックスプロセス
セラミックの4D印刷には多くの方法があります。今回は前駆体を使用します。つまり、まず前駆体ベースを印刷し、前駆体ベースを歪ませ、次に歪んだ前駆体上に印刷します。このようにして、同じシステムを使用して異なる構造の材料を印刷することができ、焼結後に異なるタイプのセラミック材料を得ることができます。この前駆体は変形性が極めて高いため、非常に複雑な形状のセラミックを製造することができます。焼結プロセスも非常に重要です。焼結後、外側が非晶質材料で包まれたナノセラミックスが得られます。これら 2 つの材料の組み合わせにより、この材料の機械的特性は、同様の材料よりもはるかに高くなります。

これらの接続部品を変形可能な構造になるように設計し、3D プリントを使用してこの構造を事前に歪ませた基板上に印刷し、さまざまな形状の複雑なセラミック構造を形成します。この作品は、陶芸家の将来の発展に向けた多くの新たな解決策も提案しています。

4Dプリントセラミックスの応用
5G携帯電話では金属製のバックパネルが使用できなくなり、セラミック、ガラス、プラスチックのみになるため、将来の5G携帯電話時代には、パーソナライズされた携帯電話のバックパネルの印刷など、4Dプリントセラミックがより広く使用される可能性があります。セラミックはすべての材料の中で最も先進的であるため、この技術は5G信号をブロックすることなく使用できます。

複雑な印刷パターンを設計するために計算を使用するため、印刷されるセラミックの形状は非常に複雑になります。変形によって、さまざまな複雑な形状を生み出せます。これまでは、高融点の材料で非常に複雑な形状を作るのは困難でした。今日では、4Dプリントセラミックスやプリント折り紙セラミックスが、この種の材料を作るための新しい道を示しています。機械的特性の点では、この構造は通常の 3D プリントセラミックをはるかに上回ります。

将来の開発と応用：
1. 表面ナノ加工により、3Dプリント構造の疲労性能を大幅に向上します。例えば、航空機エンジンブレードの疲労限界は、後処理または3Dプリントプロセス中の処理によって大幅に向上します。
2. 航空機エンジン用断熱材：航空機エンジン用断熱材の開発動向には、新合金、熱膨張コーティングセラミック、複雑な形状の冷却システムなどがあります。4Dで印刷されたセラミックの形状は非常に複雑で、高温の熱衝撃に耐えることができます。

出典: デジタルイノベーション

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