Prestrain Programmable 4D Printing of Nanoceramic Composites with Bioinspired Microstructure

纳米陶瓷 材料科学 微观结构 陶瓷 3D打印 复合材料 脆性 立体光刻 圆柱 结构材料 变形 纳米技术 机械工程 计算机科学 工程类 计算机视觉
作者
Tian Li,Quyang Liu,Haobo Qi,Wei Zhai
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (47): e2204032-e2204032 被引量:18
标识
DOI:10.1002/smll.202204032
摘要

Four-dimensional (4D) printing enables programmable, predictable, and precise shape change of responsive materials to achieve desirable behaviors beyond conventional three-dimensional (3D) printing. However, applying 4D printing to ceramics remains challenging due to their intrinsic brittleness and inadequate stimuli-responsive ability. Here, this work proposes a conceptional combination of bioinspired microstructure design and a programmable prestrain approach for 4D printing of nanoceramics. To overcome the flexibility limitation, the bioinspired concentric cylinder structure in the struts of 3D printed lattices are replicated to develop origami nanoceramic composites with high inorganic content (95 wt%). Furthermore, 4D printing is achieved by applying a programmed prestrain to the printed lattices, enabling the desired deformation when the prestrain is released. Due to the bioinspired concentric cylinder microstructures, the printed flexible nanoceramic composites exhibit superior mechanical performance and anisotropic thermal management capability. Further, by introducing oxygen vacancies to the ceramic nanosheets, conductive nanoceramic composites are prepared with a unique sensing capability for various sensing applications. Hence, this research breaks through the limitation of ceramics in 4D printing and achieves high-performance shape morphing materials for applications under extreme conditions, such as space exploration and high-temperature systems.
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