На 3D-принтере научились печатать превращающиеся в керамику оригами-структуры

Китайские ученые разработали полимерно-оксидные прекурсоры, которыми можно печатать с помощью 3D-принтера на плоской растянутой подложке. Подложка затем расправляется и придает объекту изначально заданную форму, после чего материал можно нагреть и превратить в керамику. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Практически всегда при использовании 3D-печати предмета принимает свою окончательную форму прямо во время печати. Но есть и несколько способов задать форму во время печати, но реализовать ее позднее. Для этого можно создать конструкцию из двух материалов с разными свойствами. К примеру, таким образом физики создали в прошлом году программируемые макароны, которые при попадании в воду меняют форму с плоской на объемную из-за того, что разные слои по-разному впитывают влагу и расширяются от этого.

Также существует подход, при котором используется предварительно растянутая подложка, на которую наносится другой эластичный материал. После того, как натяжения подложки пропадает, она сокращается и заставляет изгибаться всю конструкцию. Такой же метод применили в своей работе Цзянь Лу (Jian Lu) и его коллеги из Городского университета Гонконга. Этим способом они решили создавать керамические объекты. Исследователи использовали двухстадийную схему, при которой изначально на 3D-принтере печатается плоский предмет из полимерного композита, а после того, как предварительно растянутая подложка распрямляется и изгибает предмет, его отжигают в печи и превращают в керамический.

Исследователи разработали два состава, оба из которых представляют собой полидиметилсилоксановую матрицу с включениями оксида циркония, которых, в зависимости от состава, может быть 20 или 40 массовых процентов. После того, как предмет напечатан и принял нужную форму, его в течение двух стадий выдерживают при температуре 1000 или 1300 градусов Цельсия в атмосфере аргона или воздуха. Во время такой обработки материал превращается в силикон-оксикарбидную керамику с включениями из оксида циркония.

Ученые напечатали из полимерно-оксидных композитов множество прототипов. К примеру, они реализовали из такого материала оригами-структуры типа Миура-ори. Изначально они имеют плоскую форму, но могут преобразовываться в объемную периодическую структуру с жестким каркасом. Ранее из таких структур создавали складываемые солнечные панели и радиаторы для космической техники и даже мебель.

В 2016 году компания HRL Laboratories представила другой метод печати полимерных прекурсоров для создания из них керамических предметов. Созданная таким способом керамика выдерживает нагревание до 1700 градусов Цельсия.

Григорий Копиев