Modular additive manufacturing of ceramics via solvent assisted interfacial joining

想象一下试图用玻璃建造一座大教堂。你不能简单地将熔融材料倒入模具中，因为形状过于复杂，拥有中空的腔室和扭曲的拱门，在硬化之前就会因自身的重量而坍塌。几十年来，科学家们一直转向一种被称为增材制造（通常称为3D打印）的技术来解决这一问题。通过逐层构建物体，他们可以创造出曾经无法制造的复杂陶瓷形状。然而，这种方法有一个顽固的限制：物体的尺寸受限于机器的大小。如果你想要一个比打印机构建腔体更大的部件，你就陷入了困境。你无法打印出一个整体，而将分开的部件粘合在一起通常会留下一个在压力下会断裂的薄弱接缝。

哈尔滨工业大学的一个研究小组找到了一种既不牺牲强度又能绕过这种尺寸限制的方法。他们开发了一种方法，可以将陶瓷部件打印成较小的部分，然后将它们融合在一起，使其实现无缝衔接，从而使最终物体表现得就像是由一整块材料制成的一样。研究人员没有使用胶水或热量来粘合部件，而是使用一种简单的液体溶剂暂时软化打印部件的表面，使陶瓷颗粒能够在分子水平上进行混合和重新结合。这种方法被称为模块化增材制造，它允许创建大型、复杂的陶瓷结构，这些结构可以在多台机器上进行打印，并组装成一个单一的固体单元。

这一发现的核心在于用于打印的一种特殊的液体混合物，即浆料。通常，在进行陶瓷打印时，会将精细的陶瓷粉末与在光照下会硬化的液体树脂混合。研究人员通过添加一种特定类型的聚合物链修改了配方，这种链的行为就像一根长而灵活的绳索。当光线固化树脂形成固体层时，这些聚合物链并不会交联成刚性网络；相反，它们保持为松散的线性链条。这种细微的变化至关重要。当研究人员随后在打印出的陶瓷部件表面涂抹溶剂（如乙酸丁酯）时，这些松散的聚合物链会吸收液体并膨胀。它们会解开缠结并重新变得具有流动性，从而将陶瓷部件坚硬的表面转变为一种柔软的凝胶状层。

这种暂时的凝胶状态是连接过程的关键。当两个打印好的陶瓷部件在处于这种凝胶状态时被压在一起，其中一个部件的聚合物链会扩散到另一个部件中。随着它们跨越边界移动，它们会带着陶瓷粉末颗粒一起移动，从而有效地将两个表面混合在一起。颗粒不再被一条明显的界线分隔；它们在聚合物网络中相互交织。一旦溶剂挥发，聚合物链就会重新缠结并硬化，将陶瓷颗粒锁定在原位。其结果是，在连接处，两个原始部件之间的界面消失了，取而代之的是一个连续的、统一的结构。

研究人员通过连接两种类型的陶瓷模块测试了这种方法。在第一种场景中，他们连接了两个新鲜打印、尚未经过烧结的陶瓷部件，即“生坯”。在第二种场景中，他们将一个新鲜打印的生坯与一个已经过烧制并硬化的陶瓷件进行连接。对于第一种类型，该过程非常迅速；仅仅经过十五秒的表面润湿就足以建立起牢固的结合。对于第二种类型，即其中一个部件已经变硬且具有多孔性，过程则需要更多的细心处理。研究人员发现，如果不对硬化的部件进行预处理，溶剂会被吸入其孔隙深处，从而削弱结合力。通过在连接前用熔融蜡封住硬质部件的孔隙，他们确保了溶剂停留在表面，从而使结合在约三十秒内有效形成。

为了证明这些连接后的部件确实是一个坚固的整体，团队对其进行了严格测试。他们弯曲连接后的陶瓷棒直到其折断。在所有案例中，连接处的承重能力都与未经任何连接、直接连续打印的陶瓷棒一样强。这种连接强度并非整体的一个分数，而是等同于整体。这是一个重要的发现，因为以往的陶瓷连接方法往往会在材料首先失效的地方产生薄弱点。而在这种方法中，界面与其余材料是无法区分的。

研究人员还使用高倍显微镜观察了连接区域的内部，以了解微观层面发生了什么。他们发现陶瓷颗粒分布密集且均匀，边界处没有间隙或裂纹。在最后的加热过程（即去除聚合物并将陶瓷颗粒熔合在一起的过程）之后，晶体结构跨越了边界线生长。在某些情况下，晶体甚至从一侧生长到另一侧，完全抹去了两个部件相遇的痕迹。这种微观上的连续性正是赋予最终物体强度的关键，它确保了使用过程中的应力能够均匀分布在整个结构中，而不是集中在某个薄弱接缝处。

这项研究的真正威力在观察其能建造出的东西时变得清晰可见。研究人员展示了三种截然不同的应用。首先，他们创建了一个嵌套球体，即一个较小的球体位于较大的中空壳体内部。在传统制造中，这需要支撑物来在打印过程中固定内球，而一旦外壳闭合，这些支撑物将无法取出。通过将内外壳作为独立的模块进行打印并进行连接，他们创造了一个无需支撑即可自由旋转的内球。其次，他们建造了一种超材料，即一种旨在具有独特物理特性的复杂点阵结构。通过打印小型、相同的单元并将其连接起来，他们可以比一次性打印整个结构更快地完成大型结构的构建，并且可以利用多台打印机并行作业。最后，他们组装了一个受拉结构，将商用的陶瓷板与用他们的方法打印出的复杂链状中心结合在一起。这种混合方法使他们能够创造出可以承受载荷的结构，证明了不同的制造技术可以根据设计需求进行混合匹配。

这项工作为陶瓷制造提供了一条新路径。它不再认为一个部件必须由单台机器一次性完成。相反，它将制造过程视为像组装拼图一样，每个部件都被打印成其最优尺寸，然后融合为一个整体。该方法非常简单，仅需一种溶剂和很短的等待时间，却克服了阻碍该领域的尺寸和吞吐量方面的根本限制。通过确保连接后的部件与原始材料一样强韧，研究人员表明，模块化打印不仅是一种权宜之计，更是制造大型、高性能陶瓷组件（用于航空航天、能源及其他高要求行业）的一种可行策略。陶瓷制造的未来可能不在于制造更大的打印机，而在于寻找更聪明的方法来连接我们现有的部件。