形状记忆合金通常分为形状记忆聚合物(SMP)、形状记忆陶瓷(SMC)、形状记忆合金(SMA)和形状记忆水凝胶(SMM)。形状记忆合金是形状记忆聚合物中最引人注目、最值得研究的一类。SMA为人类所熟知的时间较长，SMP的丰富优势使得SMP在国际上的研究从微机电系统(MEMS)到医疗和仿生设备，到自愈系统，到传感器和执行器，再到航空航天应用，都有潜在的应用。

陶瓷等高温结构材料的发展因其极高的熔点和构建复杂结构的难度而受到限制。弹性体衍生陶瓷的四维 (4D) 打印在陶瓷的几何灵活性上取得突破。然而，陶瓷 4D 打印系统的应用受限于耗时繁琐的形状转变（变形）和材料转变（变质）独立分步的工艺过程、低精度的4D变形机制/3D结构特征/2D表面质量、及低热性能的SiOC基陶瓷。此外，现有4D打印技术制备的陶瓷材料的形状不能发生变化，而现有形状记忆陶瓷的研究受限于低材料普适性、低几何灵活性、小结构尺寸、及低形状记忆功能灵活性。

香港城市大学吕坚院士研究组实现了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷。2023年7月30日，相关研究工作以“4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics”为题发表在国际著名期刊Advanced Materials上。该论文的第一作者是香港城市大学刘果博士，通讯作者是吕坚院士。

为了解决上述诸多难题，该研究提出了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷的新范式，该范式实现了一步式变形变质4D打印陶瓷，兼具高2D/3D/4D精度、高效率、及大尺寸；研发了具有初始/反向、整体/局部多模式形状记忆功能的宏观尺寸形状记忆陶瓷；提升了所打印复杂网格轻质结构SiOC基陶瓷材料的火焰烧蚀性能。该研究有望拓展高温结构材料在航空航天、3C电子、生物医疗、和艺术等领域的应用。

研究亮点1：4D增减材复合制造陶瓷

受中国传统陶艺启发，利用陶瓷前驱体材料的易加工性，集成了陶瓷4D打印系统与减材制造、异质工程、表面工程等技术，提出了4D增减材复合制造陶瓷的新概念。

突破了先前4D打印陶瓷技术的局限性，探究了基于非接触式激励的一步式变形变质4D打印陶瓷机制。

验证了批量化高速高精4D打印陶瓷的可行性，有望将单个样品的制备控制在一分钟内。

突破了陶瓷打印领域高3D结构精度与大尺寸不可兼得的难题，十厘米级陶瓷最小特征尺寸可达十微米级。

研究亮点2：4D打印大尺寸形状记忆陶瓷

研发了4D打印形状记忆陶瓷技术，实现了整体/局部、初始/反向多模式形状记忆功能，建立了智能化控材控形控性策略。

填补了大尺寸形状记忆陶瓷、4D打印形状记忆陶瓷两项研究国际空白。通过4D打印全陶瓷叶盘模型验证了高4D变形精度、大尺寸、复杂结构形状记忆陶瓷材料制备的可行性。

研究亮点3：2D/3D/4D前驱体抛光

研发了基于高能束或机械研磨的2D/3D/4D前驱体抛光技术，化陶瓷抛光为前驱体抛光，化曲面抛光为平面抛光，并利用前驱体在陶瓷化过程伴随的收缩效应，改善了3D/4D打印领域普遍存在的台阶效应，为高2D表面质量、复杂形状陶瓷材料的制备提供了新思路。在全陶瓷叶盘模型示范中，通过机械研磨和激光抛光，曲面陶瓷叶片的表面粗糙度分别降低了65%和37%，有助于延长叶片的使用寿命。

研究亮点4：复杂网格轻质结构陶瓷材料热性能

针对SiOC非晶陶瓷材料高温应用受限的痛点，探究了原子层沉积（ALD）技术对3D/4D打印复杂网格轻质结构SiOC基陶瓷材料火焰烧蚀性能的提升作用机制，拓展了复杂结构SiOC基陶瓷材料的高温应用前景。

总结

综上所述，作者合成了一种适合4D打印的新型可重赋形和具有形状记忆效应的陶瓷前驱体，可以在受热裂解过程中自成型为复杂空间结构陶瓷，并研究它们作为传感器和驱动器的应用潜力。

经过调谐流变性能后的陶瓷前驱体适用于DIW打印。其可重赋形特性使得原生打印结构可以被重塑成具有更高复杂性的新的永久形状。在分阶段的固化过程中，IPNs在两步交联过程中构建。其次，形状记忆效应使得前驱体能够被编程为临时形状，并在热刺激下快速（<10秒）并完全（~100%）恢复到初始状态。陶瓷前驱体的可重构性和形状记忆的结合，简化了复杂结构陶瓷的制造过程。基于其温度相关的半导体行为和广泛的监测范围（25-750℃），进一步证明了由此得到的陶瓷作为热敏电阻和温度传感器的可行性。该工作设计了利用重赋形特性的传感器，能够以更高的可靠性检测不平整轮廓的表面温度。

最后，展示了一些应用，以说明前驱体和其衍生陶瓷在航空航天领域的潜力。这项工作不仅为复杂结构陶瓷制造提供了一种新的策略，也为进一步发展4D打印、驱动器、传感器和工程应用铺平了道路。

【应用展望】

该工作首次实现了4D增减材复合制造陶瓷，亦首次实现了4D打印形状记忆陶瓷。该工作提出的4D增减材复合制造形状记忆陶瓷技术可实现高精度（十微米级），大尺寸（十厘米级），超快的前驱体转变为陶瓷的速度（几秒钟内），以及前驱体材料的快速制造（批量生产能力），有力推动了陶瓷4D打印技术的潜在应用发展，有望应用于航空航天（全陶瓷整体涡轮叶盘、可变形热防护系统，太空折叠系统，在轨制造和修复，原位太空打印和殖民等）、3C电子（可折叠陶瓷手机背板、微机电系统等）、生物医疗（生物植入物等）、和艺术（文物研究和修复、首饰、装饰品等）等领域。

文章来源： 材料人，3D科学谷，加油普力马