4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装构型，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。基于4D打印独特的特点，其在航空发动机热端部件如涡轮叶片、涡轮外环等具有重要的应用前景。
广东省科学院新材料研究所（以下简称为省科学院新材料所）热喷涂研究中心团队在此前研究中，采用4D打印技术对SiOC基材料开展了系统研究包括打印工艺、前/后处理工艺等。针对SiOC陶瓷材料高温力学性能等痛点问题，近日该团队联合香港城市大学吕坚院士团队，提出了4D打印陶瓷部件氧化铝表面改性技术，探究了原子层沉积（ALD）技术对4D打印SiOC基陶瓷材料高温力学性能的提升作用机制，拓展了SiOC基陶瓷材料的高温应用前景。
该工作利用ALD技术在4D打印SiOC基陶瓷材料的表面制备Al2O3涂层，其设计思路如下：第一，ALD技术可以确保Al2O3薄膜在4D打印陶瓷表面的全方位均匀覆盖，在打印结构的外表面和网格内部表面上都均匀沉积Al2O3层，其对复杂结构SiOC材料的全方位保护是热喷涂、物理气相沉积等传统技术无法比拟的。第二，Al2O3为六方致密结构，可有效阻隔外界氧气往基体内部扩散，避免SiOC氧化；第三，当SiOC用于航空发动机热端部件，会发生水氧腐蚀，即SiOC会与氧气发生反应形成SiO2，而SiO2会与发动机燃料燃烧形成的水蒸气发生反应，形成Si(OH)2挥发物，而Al2O3比SiOC具备更低的水氧活性；第四，Al2O3会与SiO2反应形成莫来石，莫来石具备高熔化温度（1910 ℃）和低导热系数（≤0.35 W/(m·℃），可作为热障涂层。
4D打印复杂网格结构SiOC基陶瓷材料高温性能测试
研究表明，所制备的陶瓷样品平均密度为1.2-1.9 g/cm3，是传统高温合金热障涂层的16-25%。在1400 ℃的火焰烧蚀试验中，Al2O3改性陶瓷样品的抗高温氧化性能是典型热障涂层的6倍。此外，1500 ℃的火焰烧蚀试验前后的比质量变化只有0.9 mg/cm2。该研究获广东省科学技术厅广东省重点领域研发计划资助，相关研究成果近日发表于Advance Materials期刊（材料科学类顶刊，中科院一区，IF=29.4）。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202302108
供稿：省科学院新材料所
撰稿：张小锋
审稿：董军 郑开宏 王昊
校稿：徐超 肖捷 章震 黄巧纯
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