CN109678527B - 一种4d打印陶瓷制备方法和4d打印太空舱及其展开方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种4D打印陶瓷制备方法和4D打印太空舱及其展开方法，其制备4D打印陶瓷的具体步骤为：制备陶瓷前驱体溶液，陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物或形状记忆聚合物与弹性体混合物；陶瓷前驱体溶液直写打印成型，构建3D打印聚合物前驱体结构；将所述3D打印聚合物前驱体结构赋形为临时形状，在受到外界激励后，3D打印聚合物前驱体结构恢复到初始的三维结构，获得4D陶瓷前驱体结构，最后高温烧结4D陶瓷前驱体结构，得到4D打印的陶瓷。本发明提供的4D打印陶瓷制备方法，增加陶瓷前驱体三维结构形状变化的多维度可设计性，拓宽4D打印陶瓷领域的应用范围。

Description

一种4D打印陶瓷制备方法和4D打印太空舱及其展开方法
技术领域
本发明涉及陶瓷领域，具体涉及一种4D打印陶瓷制备方法和4D打印太空舱及其展开方法。
背景技术
4D打印一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激（譬如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术大多应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。
现有的3D打印的陶瓷前驱体材料通常较难发生自变形，且成型方式为立体光固化成型；其材料体系复杂，固化过程受光照、波长、固化剂、引发剂等影响较大，限制了4D打印陶瓷的发展。也有报道，通过打印弹性体衍生陶瓷，利用其室温下的折纸变形组装固定为临时形状，再进行烧结从而实现了4D打印陶瓷结构的制备。但是这种弹性体衍生陶瓷，是通过构建三维简单堆叠支架结构，再利用折纸和外加模具固定的方式，只是实现临时形状固定，同样极大的限制了其应用范围和领域，无法适应复杂的太空环境。传统刚性太空舱存在重量重、占用发射空间大的缺点，而充气式柔性太空舱质量轻、体积小却存在气体泄漏、塌陷的风险。因而拓宽陶瓷前驱体材料不仅仅局限于弹性体，使其能够应用在太空舱上十分重要。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种4D打印陶瓷制备方法，采用形状记忆聚合物制备陶瓷前驱体材料，利用形状记忆聚合物在外界条件激励下具有改变形状的特性，增加陶瓷前驱体三维结构形状变化的多维度可设计性，以及陶瓷前驱体结构形变可控性，从而拓宽4D打印陶瓷领域的应用范围，使其可以应用在太空舱上。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种4D打印陶瓷制备方法，具体步骤为：
S1、制备用于3D打印的陶瓷前驱体溶液，所述的陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物或形状记忆聚合物与弹性体混合物；
S2、将所述陶瓷前驱体溶液采用直写打印成型方式，构建3D打印聚合物前驱体结构，所述3D打印聚合物前驱体结构为具有形状记忆效应的三维结构；
S3、将所述3D打印聚合物前驱体结构赋形为临时形状，在受到外界激励后，所述3D打印聚合物前驱体结构由临时形状恢复到初始的三维结构，获得4D陶瓷前驱体结构，具有形状记忆效应的所述3D打印聚合物前驱体结构被制造后仍然能够改变形态，显示出随时间动态变化的特性；最后高温烧结所述4D陶瓷前驱体结构，所述4D陶瓷前驱体结构由聚合物前驱体转化为陶瓷成分，得到4D打印的陶瓷。
进一步地，在S1步骤中，所述制备用于3D打印的陶瓷前驱体溶液，具体包括步骤：
将形状记忆聚合物和/或弹性体进行干燥除水，然后加入低温固化剂、增强剂并混和均匀，最后脱泡，得到陶瓷前驱体溶液。
进一步地，在S2步骤中，所述构建成3D打印聚合物前驱体结构，包括步骤：
S20、通过软件对要打印的3D打印陶瓷前驱体结构进行三维建模设计，将得到的模型转化为操纵高压点胶针筒运动的代码指令；
S21、将所述陶瓷前驱体溶液装入配有微型针头的高压点胶针筒内，并通过气泵对高压点胶针筒施加压力；通过软件控制三维移动平台在x，y，z轴上的运动方向和运动速度，使其按照预先设计的三维结构模型运动轨迹进行移动，得到3D打印的陶瓷前驱体结构。
进一步地，当所述的陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物时，在S3步骤中，所述3D打印到4D打印的转变，具体步骤为：
S310、将所述3D打印聚合物前驱体结构加热至其玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下改变形状成为需要的所述临时结构；
S311、保持外力且降温至玻璃化转变温度Tg以下，使所述临时结构得到固定；
S312、再次升温至玻璃化转变温度Tg以上时，相应的所述临时结构会恢复到初始的三维结构。
进一步地，当所述的陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物和弹性体混合物时，在S2、S3步骤中，4D打印陶瓷的具体步骤为：
S2′、 将S1所制备的弹性体陶瓷前驱体溶液和形状记忆聚合物陶瓷前驱体溶液分别灌入两个针筒，并对两种材料进行铺层设计，按照设定的模型获得三维结构的3D打印聚合物前驱体结构；
S3′、将获得的三维结构加热至其玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下改变形状为所需要的临时结构；并保持外力降温至玻璃化转变温度Tg以下使所述临时结构得到固定；当温度再次升温至玻璃化转变温度Tg以上时，三维结构中具有形状记忆效应的铺层恢复到初始的三维结构，使所述3D打印聚合物前驱体结构显示出形状随时间动态变化的特性，最后得到4D陶瓷前驱体结构。
进一步地，所述形状记忆聚合物为聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；所述弹性体为聚二甲基硅氧烷、聚硅氮烷中的一种或多种。
本发明还提供了一种4D打印太空舱，包括舱本体和对接口，所述舱本体采用上述所述的4D打印陶瓷制备方法制备而成；所述舱本体为两端开口的中空腔体，所述对接口与所述舱本体的开口端固定连接，所述舱本体能够在材料转变温度下赋形为临时形状，且当受到外界激励后恢复至初始形状。
进一步地，所述舱本体包括形状记忆弹簧、分别覆盖在所述形状记忆弹簧外表面和内表面上的外层蒙皮、内层蒙皮，所述外层蒙皮、内层蒙皮与所述形状记忆弹簧之间采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接方式。
进一步地，所述舱本体还包括加热装置，所述加热装置包括设置在外层蒙皮与形状记忆弹簧之间的加热膜，或，设置在形状记忆弹簧内的电阻丝、电阻块。
本发明还提供了一种上述所述的4D打印太空舱的展开方法，具体为，在太空舱运送至预定轨道或外星球前的准备阶段，通过加热装置升温至材料玻璃化转变温度Tg以上，使舱本体部分变软，在外力作用下，将舱本体沿开口端轴向方向压缩收拢，然后降温至材料玻璃化转变温度Tg以下，舱本体冷却变硬并固定在压缩收拢状态；当太空舱到达预定轨道或外星球后，加热升温至材料玻璃化转变温度Tg以上，太空舱由于形状记忆效应由压缩收拢状态恢复至展开状态。
相对于现有技术，本发明所述的4D打印陶瓷制备方法和4D打印太空舱及其展开方法具有以下优势：
（1）本发明提供的4D打印陶瓷制备方法，采用形状记忆聚合物制备陶瓷前驱体材料，利用形状记忆聚合物在外界条件激励下具有改变形状的特性，增加陶瓷前驱体三维结构形状变化的多维度可设计性，以及陶瓷前驱体结构形变可控性，从而拓宽4D打印陶瓷领域的应用范围。
（2）本发明提供的4D打印陶瓷制备方法，将形状记忆聚合物智能材料和陶瓷前驱体相结合，可以发挥二者共同优势，为大变形陶瓷结构设计提供了可能，可以在空间航天站以及空间可展开结构上具有更多潜在应用。
（3）本发明提供的4D打印太空舱，通过采用4D打印陶瓷方法制备的舱本体，利用舱本体能够在材料转变温度下赋形为临时形状、而当受到外界激励后恢复至初始形状的特性，能够保证太空舱在发射前处于较小体积、较轻质量的同时，运送至预定太空位置后能够通将太空舱加热回复至展开状态，进而烧结为陶瓷。4D打印陶瓷制备的太空舱的刚度大、耐腐蚀、抗氧化能力强。与传统刚性太空舱相比不存在重量重、占用发射空间大的缺点，与现在发展较多的充气式柔性太空舱相比，质量相当、体积小的同时排除了气体泄漏、塌陷的风险。
（4）本发明提供的4D打印太空舱的展开方法，基于4D打印陶瓷制备的太空舱的刚度、强度较高，且变形回复力较大、形状保持能力较好，在展开过程中运动稳定。展开可靠性高，同时，可以将动力与锁定功能集于一身，减小可展开太空舱结构的复杂度，克服传统机械式空间可展开结构的缺陷并满足空间特殊要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述的4D打印陶瓷制备方法流程图；
图2为本发明所述的形状记忆聚合物的形状变化原理图；
图3为本发明所述的弹簧骨架太空舱的结构示意图；
图4为本发明所述的弹簧骨架太空舱的轴测剖视图；
图5为本发明所述的对接口的结构示意图；
图6为本发明所述的形状记忆弹簧结构示意图之一；
图7为本发明所述的形状记忆弹簧结构示意图之二；
图8为本发明所述的形状记忆弹簧结构示意图之三；
图9为本发明所述的形状记忆弹簧结构示意图之四；
图10为本发明所述的折纸术太空舱折叠状态的结构示意图；
图11为本发明所述的折纸术太空舱展开状态的结构示意图。
附图标记说明：
1-形状记忆弹簧，2-外层蒙皮，3-内层蒙皮，4-对接口，41-端部，42-连接部，5-舱本体，6-封头部，7-折叠部。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例提供了一种适于4D打印陶瓷制备方法，具体步骤为：
S1、制备用于3D打印的陶瓷前驱体溶液，所述的陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物或形状记忆聚合物与弹性体混合物；
S2、将所述陶瓷前驱体溶液采用直写打印成型方式，构建3D打印聚合物前驱体结构，所述3D打印聚合物前驱体结构为具有形状记忆效应的三维结构；
S3、将所述3D打印聚合物前驱体结构赋形为临时形状，在受到外界激励后，所述3D打印聚合物前驱体结构由临时形状恢复到初始的三维结构，获得4D陶瓷前驱体结构，具有形状记忆效应的所述3D打印聚合物前驱体结构被制造后仍然能够改变形态，显示出随时间动态变化的特性；最后高温烧结所述4D陶瓷前驱体结构，所述4D陶瓷前驱体结构由聚合物前驱体转化为陶瓷成分，得到4D打印的陶瓷。
具体的，在S1步骤中，制备用于3D打印的陶瓷前驱体溶液，具体包括步骤：
S11、将形状记忆聚合物和/或弹性体在温度为30℃～50℃的真空干燥箱内进行干燥除水12h～24h，最大限度地排除水分对实验的影响，得到干燥的陶瓷前驱体聚合物；
其中，形状聚合可以为聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。弹性体为聚二甲基硅氧烷、聚硅氮烷的一种或多种混合物。
S12、将S11步骤中得到干燥的陶瓷前驱体聚合物，和相应固化剂按照合适的固化配比均匀混合；可以理解的是，不同的前驱体聚合物对应不同的固化剂，且采用不同的配方比，在实际应用中，操作人员可以根据经验或实验数据自主选择。例如，当聚合物前驱体结构为形状记忆聚合物时，可以使用聚二甲基硅氧烷作（PDMS）为固化剂，且配方比为：形状记忆聚合物与聚二甲基硅氧烷的体积比为10:1。
S13、将S12步骤中得到的混合溶液和增强剂用三辊机或球磨机进行充分搅拌混合，混合溶液与增强剂的体积比为（7~9）:（3~1）；
其中，增强剂为二氧化锆、碳化硅、氮化硅、三氧化二铝、碳化钛、氮化钛、氮化硼中的一种或多种混合物，添加增强剂可以提高陶瓷的密度及强度，也可以增加制品的韧性。
S14、将S13步骤中得到的混合溶液，进行脱泡处理，得到陶瓷前驱体溶液，密封待用。
其中，在整个陶瓷前驱体溶液制备过程中，均采用封口膜将瓶盖处密封，以防止溶液挥发或被污染。
在S2步骤中，具体的，构建成3D打印聚合物前驱体结构，包括步骤：
S20、通过软件对要打印的3D打印陶瓷前驱体结构进行三维建模设计，将得到的模型转化为操纵高压点胶针筒运动的代码指令；
S21、将所述陶瓷前驱体溶液装入配有微型针头的高压点胶针筒内，并通过气泵对高压点胶针筒施加压力；通过软件控制三维移动平台在x，y，z轴上的运动方向和运动速度，使其按照预先设计的三维结构模型运动轨迹进行移动，得到3D打印的陶瓷前驱体结构。
其中，3D打印的高压点胶针筒通过电脑程序进行控制，三维移动平台的运动速度0.2mm/s～10mm/s，通过气泵对高压点胶针筒施加压力为200KPa～3.5MPa；高压点胶针头的内径为30μm～510μm。
可以理解的是，生物打印机不仅可以打印单材料，也可以打印多材料，二者打印原理相同。区别在于，在使用打印多材料功能时，需将多种材料装入不同针筒，然后依据铺层设计打印。
在S3步骤中，具体的，当陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物时，在S3步骤中，3D打印到4D打印的转变，具体步骤为：
S310、将3D打印聚合物前驱体结构加热至其玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下改变形状成为需要的临时结构；
S311、保持外力且降温至玻璃化转变温度Tg以下，使所述结构得到固定；
S312、再次升温至玻璃化转变温度Tg以上时，相应的临时结构会恢复到初始的三维结构。
其中，3D打印聚合物前驱体结构的玻璃化转变温度Tg的范围为：40℃≤Tg≤60℃。
当陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物和弹性体混合物时，在S2、S3步骤中，4D打印陶瓷根据铺层设计的不同有两种变形制备方法，其中方法一利用形状记忆聚合物的形状记忆功能，方法二为利用弹性体的变形功能。
方法一的具体步骤为：
S2′、将S1步骤所制备的弹性体陶瓷前驱体溶液和形状记忆聚合物陶瓷前驱体溶液分别灌入两个针筒，并对两种材料进行铺层设计，按照设定的模型获得三维结构的3D打印聚合物前驱体结构；
S3′、将获得的三维结构加热至其玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下改变形状为所需要的临时结构；并保持外力降温至玻璃化转变温度Tg以下使所述临时结构得到固定；当温度再次升温至玻璃化转变温度Tg以上时，三维结构中具有形状记忆效应的铺层恢复到初始的三维结构，迫使3D打印聚合物前驱体结构显示出形状随时间动态变化的特性，最后得到4D陶瓷前驱体结构。
方法二的具体步骤为：
S2″、将S1步骤所制备的弹性体陶瓷前驱体溶液和形状记忆聚合物陶瓷前驱体溶液分别灌入两个针筒，利用生物打印机打印多材料的功能，对两种材料进行精心铺层设计，且打印过程中进行预拉伸等变形，或通过调控打印速度及温度，获得具有内应力的三维结构。
具体的，通过设计先将一种材料以较大长度方向尺寸铺放在底层，再将第二种材料以较小长度方向尺寸铺放在顶层。并且设置底层材料的打印速度明显高于顶层材料的打印速度。则在打印完成后，底层材料由于长度方向上高速度打印所产生的内部应力，就会在与顶层材料的连接固化后，释放出来并表现出一个向顶部翘曲的外观变化。此外，还可以通过将两种材料相互交替的方式以及配合相应的速度，实现更为复杂的三维3D打印聚合物前驱体结构。
S3″、将获得的三维结构通过加热到形状记忆聚合物Tg以上，使结构中的形状记忆聚合物层变软，这时储存在结构内部的应力会释放出来，从而显示出主动形状改变，使3D打印聚合物前驱体结构显示出形状随时间动态变化的特性，最后得到4D陶瓷前驱体结构。
在S3步骤中，陶瓷前驱体结构烧结过程的实现按以下步骤进行：对形状恢复后的4D陶瓷前驱体结构，通过直接烧结或者限定在特定夹具中高温烧结的方式，并在氩气、氮气或真空气氛保护下高温裂解热，转化为一级陶瓷，所得的一级陶瓷结构外观为黑色。其中，一级陶瓷可以通过在空气中再次进行热处理，进而得到外观为白色的二级陶瓷。
其中，具体制备过程中的烧结温度范围为：800℃≤T烧结≤1200℃。
此外，陶瓷前驱体溶液的基体材料还可以为弹性体，由于弹性体在室温下就具有良好的变形能力，而形状记忆聚合物材料在一定激励作用下可以变形并恢复的特性，将两种材料单独使用或形成共混材料体系，可以实现说中聚合物材料的打印，扩大了陶瓷打印的使用范围。
当陶瓷前驱体溶液的基体材料为弹性体时，适于4D打印陶瓷制备方法的S1步骤和S2步骤与基体材料为形状聚合物时的基本相同，其不同之处在于S2步骤的打印过程中进行预拉伸等变形或通过调控打印速度及温度，获得具有内应力的三维3D打印聚合物前驱体结构，在S3步骤中，由于弹性体在室温下就可以变形，因此S2步骤获得的3D打印聚合物前驱体结构发生形变，得到4D陶瓷前驱体结构的方法可以有两种，其中一种变形方式具体步骤为：
S320、3D打印聚合物前驱体结构通过折纸术等手段变换形状为其他复杂形状；
S321、将新获得的弹性体复杂三维结构套在金属模具中，在内应力的作用下经历形状转变，固定成4D陶瓷前驱体结构。
另一种变形方式，具体为：
S330、在所述3D打印聚合物前驱体结构包裹形状记忆聚合物材料，并加热至所述形状记忆聚合物材料的玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下使形状记忆聚合物材料的形状转变为临时结构，诱导其内部的所述3D打印聚合物前驱体结构发生被动变形；
S331、保持外力且降温至玻璃化转变温度Tg以下使形状记忆聚合物材料的临时结构得到固定；
S332、当温度再次升温至玻璃化转变温度Tg以上时，相应的所述形状记忆聚合物材料的临时结构会恢复到初始状态，诱导其内部的所述3D打印聚合物前驱体结构恢复得到4D陶瓷前驱体结构。
陶瓷前驱体溶液的基体材料为弹性体时制备得到的4D陶瓷前驱体结构，其后续烧结过程与基体材料为形状记忆聚合物时的过程相同，在此不再赘述。
实施例2
本实施例以聚醚酰亚胺形状记忆聚合物作为基体材料为例，具体说明一种4D打印陶瓷的制备过程：
1、将聚醚酰亚胺在温度为50℃的真空干燥箱内进行12h干燥除水；
2、将干燥的聚醚酰亚胺与PDMS以体积比为7:1混合均匀用作陶瓷前驱体基体溶液；
3、将陶瓷前驱体基体溶液和二氧化硅增强颗粒按照7：3的体积比，用三辊机进行充分搅拌混合得到陶瓷前驱体溶液；在整个溶液制备过程中，采用封口膜将瓶盖处密封，防止水基溶液挥发或污染；
4、将陶瓷前驱体溶液进行脱泡处理，密封待用，同时所有步骤均在干燥的环境下进行，以防止水分的吸附；
5、将到陶瓷前驱体溶液用墨水直写打印成型方式，构建三维的3D打印聚合物前驱体结构；
6、将具有形状记忆效应的3D打印聚合物前驱体结构加热至其玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下改变形状固定为所需要的临时结构；
7、保持外力并降温至玻璃化转变温度Tg以下使临时结构得到固定；
8、在外界激励作用下，当温度再次升温至Tg以上时，相应的临时结构会恢复到初始的三维结构，得到4D陶瓷前驱体结构；
9、对步骤8中形状变化后的4D陶瓷前驱体结构，通过直接烧结或者限定在特定夹具中高温烧结的方式，在氩气保护下发生高温裂解热反应，聚合物前驱体转化为黑色的一级SiOC陶瓷结构，至此得到4D打印的陶瓷；
10、在空气中对黑色的一级SiOC陶瓷结构再次进行热处理，进而得到白色的二级陶瓷。
开发两级陶瓷可以丰富陶瓷材料的外观，使之适应不同的使用场景，扩大制备出的4D打印的陶瓷的使用范围。
实施例3
结合图3-4所示，本实施例提供了一种太空舱，包括舱本体5和对接口4，舱本体5采用上述所述的4D打印的陶瓷制备方法制备而成；舱本体5为两端开口的中空腔体，对接口4与舱本体的开口端固定连接，舱本体5能够在材料转变温度下赋形为临时形状，且当受到外界激励后恢复至初始形状。也即，在太空舱发射前，舱本体为4D打印的陶瓷制备方法制备的处于临时形状的3D打印聚合物前驱体结构，在太空舱运送至预定太空位置后，能够将3D打印聚合物前驱体结构加热回复至初始展开状态，成为4D陶瓷前驱体；然后继续升高到烧结温度来烧结4D陶瓷前驱体，得到4D打印的陶瓷舱本体。
具体的，结合图5所示，对接口4包括一体成型的端部41和连接部42，端部41和连接部42均设有与所述舱本体的开口相适配的通孔，且端部41与连接部42同轴设置。端部41适于与空间站的其他舱段对接，且在端部41的周缘上设有多个连接口，用于连接其它扩展结构，连接部42适于与舱本体5可拆卸固定连接。通过对接口上的通孔，宇航员、航天货物可以进入舱本体1内部，也即为宇航员、航天货物设备的运输通道。对接口4的数量为两个，两个对接口4分别与舱本体5的两开口端固定连接。
舱本体5包括形状记忆弹簧1、分别覆盖在形状记忆弹簧1外表面和内表面上的外层蒙皮2、内层蒙皮3，外层蒙皮2、内层蒙皮3与形状记忆弹簧1之间采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接方式。形状记忆弹簧1为舱本体5的骨架，用于提供太空舱的结构强度，通过上述实施例所述的4D打印陶瓷制备方法制备得到，为方便区分描述，在本发明中，将以形状记忆弹簧1为骨架的舱本体称作弹簧骨架太空舱。较佳的，内外蒙皮和对接口4、形状记忆弹簧1间的连接可以通过硅橡胶、环氧胶等胶体胶接，然后加上螺钉连接等机械连接增加连接可靠性。
其中，外层蒙皮2、内层蒙皮3均是由多层柔性织物构成，柔性织物包括气密层（聚亚胺脂，聚乙烯（HD），乙烯－乙烯醇共聚物（EVOH），聚酰胺，铝箔等）、增强层（Kevlar织物，Vectran织物）、防护层（聚酯泡沫，聚乙烯等）、防辐射层（绝缘织物或薄膜材料）。较佳的，外层蒙皮2、内层蒙皮3的厚度范围均为0.1~5mm。外层蒙皮2、内层蒙皮3的材料中也可以加入形状记忆聚合物，这样保证内外蒙皮结构也可以随着形状记忆弹簧1的形状变化而变化。
可以理解的是，由于舱本体5的形变需要受到外界刺激，在本实施例中，外界刺激是通过加热装置使舱本体5的温度升高。加热装置包括设置在外层蒙皮3与形状记忆弹簧1之间的加热膜，或，设置在形状记忆弹簧1内的电阻丝、电阻块。
加热回复过程中的热源除了可以在形状记忆弹簧1中预留的空腔内预埋电阻丝外，还可以预埋电热块或利用太阳辐照提供热，也可以在骨架表面贴附加热膜。具体加热方式可以为在形状记忆弹簧1中间预留的空腔内，预埋电阻丝，通过通断电源控制结构温度，从而实现舱本体的变形和烧结过程。
形状记忆弹簧1可以是桁架结构式、弹簧结构式、薄壳式，骨架结构，所形成弹簧骨架太空舱的外形可以是椭球形、球形、圆柱状、立方体状、环形等。结合图6~9所示；形状记忆弹簧1的截面可以是薄壁、圆截面、三角形截面、矩形截面、椭圆截面等。
较佳的，形状记忆弹簧1所用材料除了用形状记忆聚合物前驱体外，还可以增加碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等增强材料以提高形状记忆弹簧1的刚度。增强形式可以是颗粒增强、短切纤维增强、连续纤维增强中的一种或几种。
本是实施例提供的4D打印太空舱，通过采用4D打印陶瓷方法制备的舱本体，利用舱本体5能够在材料转变温度下赋形为临时形状、而当受到外界激励后恢复至初始形状的特性，能够保证太空舱在发射前处于较小体积、较轻质量的同时，运送至预定太空位置后能够通将太空舱加热回复至展开状态，进而烧结为陶瓷。4D打印陶瓷制备的太空舱的刚度大、耐腐蚀、抗氧化能力强，与传统刚性太空舱相比不存在重量重、占用发射空间大的缺点，与现在发展较多的充气式柔性太空舱相比，质量相当、体积小的同时排除了气体泄漏、塌陷的风险。
实施例4
一种实施例3所述的4D打印太空舱的展开方法，具体为：
在太空舱运送至预定轨道或外星球前的准备阶段（也即在地面上），通过加热装置升温至舱本体5的材料玻璃化转变温度Tg以上，使舱本体5变软，在外力作用下，将舱本体5沿开口端轴向方向压缩收拢，然后降温至材料玻璃化转变温度Tg以下，舱本体5冷却变硬并固定在压缩收拢状态；当太空舱到达预定轨道或外星球后，加热升温至材料玻璃化转变温度Tg以上，太空舱由于形状记忆效应由压缩收拢状态恢复至展开状态。
本实施例提供的4D打印太空舱的展开方法，基于4D打印陶瓷制备的太空舱的刚度、强度较高，且变形回复力较大、形状保持能力较好，在展开过程中运动稳定，展开可靠性高；同时，可以将动力与锁定功能集于一身，减小可展开太空舱结构的复杂度，克服传统机械式空间可展开结构的缺陷并满足空间特殊要求。
实施例5
结合图10-11所示，本实施例与实施例3的区别在于，本实施例提供了另一种4D打印太空舱，该太空舱包括舱本体5和对接口4，舱本体5可以预先折叠成需要的形状，在太空舱到达预定轨道后自展开，舱本体5采用上述实施例所述的4D打印陶瓷制备方法制备而成。
舱本体包括封头部6和折叠部7，其中封头部6与对接口固定连接，折叠部7可以通过折纸术的方式实现有序折叠。为方便区分，利用折纸术改变形状的太空舱称为折纸术太空舱。折痕部分可以通过与其折痕相同的机械模具压出便于折叠，也可通过打印时控制舱壁面的厚度来实现折痕的赋予。
本实施例提供的折纸术太空舱相比于弹簧骨架太空舱，舱本体5可以直接形成密闭空间，即蒙皮和骨架作为一体化结构，这样使得太空舱的结构更简洁。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种4D打印陶瓷制备方法，其特征在于，具体步骤为：
S1、制备用于3D打印的陶瓷前驱体溶液，所述的陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物与弹性体的混合物；
S2、将所述陶瓷前驱体溶液采用直写打印成型方式，构建3D打印聚合物前驱体结构，所述3D打印聚合物前驱体结构为具有形状记忆效应的三维结构；
S3、将所述3D打印聚合物前驱体结构赋形为临时形状，在受到外界激励后，所述3D打印聚合物前驱体结构由临时形状恢复到初始的三维结构，获得4D陶瓷前驱体结构，具有形状记忆效应的所述3D打印聚合物前驱体结构被制造后仍然能够改变形态，显示出随时间动态变化的特性；最后高温烧结所述4D陶瓷前驱体结构，所述4D陶瓷前驱体结构由聚合物前驱体转化为陶瓷成分，得到4D打印的陶瓷；
所述形状记忆聚合物为聚醚酰亚胺、聚丙烯酸铵、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；所述弹性体为聚硅氮烷。
2.根据权利要求1所述的4D打印陶瓷制备方法，其特征在于，在S1步骤中，所述制备用于3D打印的陶瓷前驱体溶液，具体包括步骤：
将形状记忆聚合物和弹性体进行干燥除水，然后加入低温固化剂、增强剂并混和均匀，最后脱泡，得到陶瓷前驱体溶液。
3.根据权利要求1或2所述的4D打印陶瓷制备方法，其特征在于，在S2步骤中，所述构建成3D打印聚合物前驱体结构，包括步骤：
S20、通过软件对要打印的3D打印陶瓷前驱体结构进行三维建模设计，将得到的模型转化为操纵高压点胶针筒运动的代码指令；
S21、将所述陶瓷前驱体溶液装入配有微型针头的高压点胶针筒内，并通过气泵对高压点胶针筒施加压力；通过软件控制三维移动平台在x，y，z轴上的运动方向和运动速度，使其按照预先设计的三维结构模型运动轨迹进行移动，得到3D打印的陶瓷前驱体结构。
4.根据权利要求1所述的4D打印陶瓷制备方法，其特征在于，当所述的陶瓷前驱体溶液的基体材料为形状记忆聚合物和弹性体的混合物时，在S2、S3步骤中，4D打印陶瓷的具体步骤为：
S2′、 将S1所制备的形状记忆聚合物溶液和弹性体溶液分别灌入两个针筒，并对两种材料进行铺层设计，按照设定的模型获得三维结构的3D打印聚合物前驱体结构；
S3′、将获得的三维结构加热至其玻璃化转变温度Tg以上，在外力作用下改变形状为所需要的临时结构；并保持外力降温至玻璃化转变温度Tg以下使所述临时结构得到固定；当温度再次升温至玻璃化转变温度Tg以上时，三维结构中具有形状记忆效应的铺层恢复到初始的三维结构，使所述3D打印聚合物前驱体结构显示出形状随时间动态变化的特性，最后得到4D陶瓷前驱体结构。
5.一种太空舱，其特征在于，包括舱本体（5）和对接口（4），所述舱本体（5）采用上述权利要求1-4中任一所述的4D打印的陶瓷制备方法制备而成；所述舱本体（5）为两端开口的中空腔体，所述对接口（4）与所述舱本体（5）的开口端固定连接，所述舱本体（5）能够在材料转变温度下赋形为临时形状，且当受到热激励后恢复至初始形状。
6.根据权利要求5所述的4D打印太空舱，所述舱本体（5）包括形状记忆弹簧（1）、分别覆盖在所述形状记忆弹簧（1）外表面和内表面上的外层蒙皮（2）、内层蒙皮（3），所述外层蒙皮（2）、内层蒙皮（3）与所述形状记忆弹簧（1）之间采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接方式。
7.根据权利要求6所述的4D打印太空舱，其特征在于，所述舱本体（5）还包括加热装置，所述加热装置包括设置在外层蒙皮（2）与形状记忆弹簧（1）之间的加热膜，或，设置在形状记忆弹簧（1）内的电阻丝、电阻块。
8.一种权利要求6或7所述的4D打印太空舱的展开方法，其特征在于，在太空舱运送至预定轨道或外星球前的准备阶段，通过加热装置升温至材料玻璃化转变温度Tg以上，使舱本体部分变软，在外力作用下，将舱本体沿开口端轴向方向压缩收拢，然后降温至材料玻璃化转变温度Tg以下，舱本体冷却变硬并固定在压缩收拢状态；当太空舱到达预定轨道或外星球后，加热升温至材料玻璃化转变温度Tg以上，太空舱由于形状记忆效应由压缩收拢状态恢复至展开状态。
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