这篇文档属于类型a，即报告了一项原始研究。以下是对该研究的学术报告：
作者及机构
本研究由Feng Wang、Chenchen Liu、Haotian Yang、Hao Wang、Han Zhang、Xinxi Zeng、Cong Wang、Weizhe Zhang、Wenjing Lv、Pengfei Zhu和Bo Li共同完成。作者来自多个机构，包括佛山（中国南方）新材料研究院、深圳探险科技有限公司、中国科学技术大学材料科学与工程学院、中国科学院金属研究所、清华大学深圳国际研究生院材料研究院、北京科技大学机械工程学院、北京科技大学轻质金属成形重点实验室以及清华大学材料科学与工程学院新型陶瓷与精细加工国家重点实验室。
发表期刊及时间
该研究于2023年1月13日在线发表于期刊《Additive Manufacturing》第63卷，文章编号为103411。
学术背景
本研究属于增材制造（Additive Manufacturing, AM）和陶瓷材料科学领域。4D打印（4D printing）是一种在3D打印基础上引入时间维度，使打印物体能够在外界刺激下发生形状变化的技术。然而，4D打印通常使用软材料，而陶瓷材料因其固有的硬脆性，难以实现自变形。本研究旨在通过利用陶瓷在烧结过程中的收缩不匹配现象，实现陶瓷结构的4D打印，为复杂陶瓷结构的设计提供新方法。
研究流程
1. 墨水制备
研究首先制备了用于直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）的紫外光固化墨水。将氧化锆（ZrO2）纳米颗粒与紫外树脂混合，通过球磨机搅拌30分钟，制备出不同固体含量的均匀复合墨水（固体含量分别为75 wt%、78 wt%、81 wt%、84 wt%和86.5 wt%）。
增材制造
使用配备双喷嘴的3D打印机进行陶瓷结构的打印。通过DIW技术，先打印出双层陶瓷片，底层为高固体含量（86.5 wt%）的ZrO2墨水，顶层为低固体含量（75 wt%）的ZrO2墨水。打印完成后，样品在紫外光下固化2分钟。
脱脂与烧结
打印的绿色体在高温炉中进行脱脂和烧结。首先以0.25℃/min的速率加热至200℃，保温1小时；然后以0.2℃/min的速率加热至380℃，保温1小时；接着以0.5℃/min的速率加热至600℃，保温2小时；最后以5℃/min的速率加热至1500℃，进行无压烧结2小时。
表征与分析
使用旋转流变仪测量墨水的流变性能，包括弹性模量（G′）和粘弹性模量（G″）。通过数字相机和场发射扫描电子显微镜（SEM）观察样品的形貌和微观结构。
主要结果
1. 墨水性能
实验表明，75 wt%的ZrO2墨水在剪切应力低于102 Pa时表现出高弹性模量（~2×10^5 Pa）和粘弹性模量（~8×10^4 Pa），而在剪切应力高于102 Pa时表现出明显的剪切稀化行为，这表明墨水适合通过DIW技术进行3D打印。
烧结收缩
研究发现，随着固体含量的增加，陶瓷结构在1500℃烧结后的收缩率从75 wt%时的~27.1%降低到86.5 wt%时的~17.5%。通过调节墨水的固体含量和打印路径，可以实现陶瓷结构在烧结过程中的自变形。
双层陶瓷的形变
打印的双层陶瓷片在烧结后因收缩不匹配而发生弯曲。底层的高固体含量导致其收缩较少，而顶层的低固体含量导致其收缩较多，从而形成弯曲结构。通过改变打印路径，可以进一步调控陶瓷的形变行为。
复杂结构的4D打印
通过编程墨水的固体含量和打印路径，研究成功实现了具有复杂几何形状的4D打印陶瓷结构，如模仿花朵形状的陶瓷结构。
结论
本研究提出了一种基于DIW和烧结过程的4D打印策略，成功实现了陶瓷结构的自变形。通过调节墨水的固体含量和打印路径，可以精确控制陶瓷结构的形变行为。这一方法为复杂陶瓷结构的设计和制造提供了新的可能性，具有重要的科学价值和应用前景。
研究亮点
1. 创新性方法：首次利用烧结过程中的收缩不匹配现象实现陶瓷结构的4D打印。
2. 精确控制：通过编程墨水的固体含量和打印路径，能够精确调控陶瓷的形变行为。
3. 复杂结构：成功实现了模仿花朵形状的复杂陶瓷结构，展示了该技术在复杂几何设计中的潜力。
其他有价值的内容
研究还提出了一个改进的Timoshenko模型，用于预测双层陶瓷系统在烧结过程中的形变行为。该模型基于四个参数（两层的收缩率、厚度比和弹性模量比），能够解释和预测陶瓷结构的弯曲行为。未来研究将进一步探索更复杂的4D打印结构和系统化的编程模型。