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  利用3D打印技術，可以制備出傳統成型技術難以或無法獲得的各種復雜形狀的陶瓷產品。我們可以將陶瓷粉末與塑料等粘結劑進行均勻混合，制備出所需的打印材料，然后通過計算機輔助，設計出客戶所需的各種形狀，并通過打印機打印出所需的產品，因此3D打印陶瓷技術成為科研人員關注的一個重要技術發展方向。

  但是3D打印陶瓷技術往往會造成材料中微小的缺陷，導致成品容易出現裂紋，其主要原因在于：原料中加入了大量的粘結劑，3D打印過程中粉體經粘結劑粘合,形成不同形狀的陶瓷素坯，這種方法獲得的陶瓷素坯密度較低，然后再在高溫燒結爐中燒結，在燒結過程中,粘結劑排出產生大量氣體容易形成裂紋。因此目前利用3D打印技術制備陶瓷應用還不是非常廣泛。

3D打印陶瓷材料（圖片來自網絡）

  目前，有美國團隊已經成功通過3D打印技術獲得比較完整的陶瓷產品，成品率較高，這些思路值得我們借鑒。

  美國HRL實驗室的科研人員實現了高分子陶瓷的3D打印，采用該方法制備高強度陶瓷產品。HRL實驗室科研人員采用了一種新思路：先將可以轉變成陶瓷的原料進行3D打印，再進行處理轉變為陶瓷產品。

  HRL團隊首先開發出一種可3D打印的陶瓷聚合物前體（PreceramicMonomers），在激光打印成型后再進行加熱使之變成陶瓷，這種聚合物材料支持常見的激光3D打印技術，可以打印出復雜度更高的陶瓷物體，且速度比傳統的立體選擇性激光打印方法快100~1000倍。

  更重要的是，HRL公司發明的這種3D打印聚合物，陶瓷強度高達當前商用泡沫陶瓷的10倍。據了解，高強度耐高溫陶瓷材料在航天工業有重要的用途，航天器中大量采用陶瓷元件，例如機翼板和軌道火箭的內部結構。

  目前，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)已經授予該團隊燒蝕陶瓷外殼的開發合同，該外殼將用于航天器的隔熱層，用于抵御返回大氣層時產生的熱量。

  該方法未來可在航空航天領域得到廣泛使用，比如發動機渦輪葉片，防護隔熱材料，新型隱身武器吸波材料，大型空間反射鏡和空間反射鏡支撐結構件等等，這些結構材料往往形狀比較復雜，利用傳統的技術方法制備成本較高或者周期較長，我們可以找到相應結構材料所對應的前驅體聚合物，采用該3D打印技術來解決這些難題。

  此外，美國Amedica公司也宣布首次使用一種被稱為機械沉積（Robotic deposition或Robocasting）的3D打印技術制造出復雜的氮化硅3D結構。

  所謂機械沉積，是一種使用致密陶瓷和復合材料進行高膠態泥漿層積的成型技術。這一工藝可以使用更少的粘結劑，而且陶瓷可以在24h之內完全燒結。

  鑒于上述優點，Amedica目前正在推進3D打印氮化硅植入物的商業化，而且這種3D打印的植入裝置可以通過控制其孔隙率水平以滿足特定的臨床需求。據稱，這種獨特的制造工藝在氮化硅植入物成型制造方面有很好的前景，同時也可以定制化制造，用于細胞分化和新生血管的骨支架【2】。

被稱為“機械沉積”的3D打印技術制造氮化硅3D結構

  利用該3D打印技術可生產優質醫療植入物，如脊柱植入物，髖部植入物，其優勢在于：植入物進入人體后，有機骨骼生長的過程中很容易滋生細菌，引起并發癥，而氧化硅具有抗菌的效果，同時可以減少植入物和周圍骨骼間的生物膜吸收蛋白質、細胞和養分，從而促進骨骼的生長。

參考文獻：

[1]Zak C.Eckelet al. Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science, 2016, 351:58-62.

[2]Amedica Company, AmedicaFirst to 3D Print Silicon Nitridefor Medical Applications,2016,3.23.

[3]http://www.amedica.com/

[4]竇浩桐，掘金3D打印.Ohio:River Styx Publishing Group, 2013:18-20.

來源：科普中國

制作：中國科學院上海硅酸鹽研究所結構陶瓷工程研究中心 陳健