近日，香港城市大学吕坚院士与哈尔滨工业大学孟松鹤教授合作，创新性地提出了一种4D打印陶瓷的新策略。
相关研究成果《Additive manufacturing of fiber-reinforced electrically driven precursors and their derived ceramics》发表于Materials Science and Engineering: R: Reports。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101258
研究背景
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和高强度等优势，在航空航天、能源装备和极端环境结构件中具有重要应用价值。但传统陶瓷加工难、脆性大，复杂结构制备仍然受限。
4D打印为陶瓷结构制造提供了新的思路：打印后的结构可以在外界刺激下发生预设形变，从而实现可编程功能响应。
前驱体转化陶瓷（PDCs）因前驱体分子结构可调、可加工性好、裂解温度相对较低，成为4D打印陶瓷的重要材料体系。不过，现有技术仍面临两个问题：一是响应外界激励多依赖热驱动，在真空、外太空等对流换热受限环境中适应性不足；二是裂解过程中容易产生孔隙和缺陷，导致最终陶瓷的力学性能仍有提升空间。
主要内容
针对上述问题，研究团队设计了纤维增强、导电的可打印陶瓷前驱体墨水。
在前驱体中引入纤维相，使材料同时具备可打印性、导电性和力学增强潜力。其中，短切碳纤维在挤出打印过程中沿打印方向取向，有助于提升结构强度；导电增强碳纳米纤维构建导电网络，使前驱体在响应热激励的基础上，能够响应电刺激产生焦耳热，触发形状记忆回复。
图1. 陶瓷前驱体的合成、打印、重构、热/电驱动形状回复及陶瓷化
热/电多模驱动
前驱体体系在保持原有重赋形和形状记忆特征的基础上，实现在热激励或电激励完成形状回复。相比传统热驱动，电驱动依靠材料内部导电网络产生焦耳热，响应更直接，也更便于实现局域和远程控制。
图2. 兼具导电和纤维顺向排布的直写打印墨水合成与性能表征
图3. 电/热驱动集成与重复性/FEM验证
力学性能提升
完成形状编程后，打印结构经高温裂解转化为陶瓷。
研究发现，纤维引入能够提高陶瓷产率并降低尺寸收缩，但过量引入会导致更多孔隙和缺陷削弱力学性能。团队进一步引入PIP工艺。通过将液态前驱体浸渍入陶瓷内部孔隙，并在后续裂解中转化为陶瓷，从而实现致密化和增强。
图4. 纤维增强与PIP协同后的打印陶瓷力学性能
总结
该工作建立了一种从前驱体设计、直写4D打印、热/电双模式驱动到高温烧结陶瓷和PIP增强的一体化制造策略。多尺度导电纤维网络拓展了4D打印陶瓷的驱动方式，纤维取向增强与PIP致密化共同提升了打印陶瓷的力学可靠性。该策略有望用于航空航天、复杂轻质结构和极端环境服役等领域。
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