陶瓷不再易碎 日本折纸为陶瓷材料开启新篇章

【中国观察2025年05月01日讯】科学界持续探索现有材料，想要从中寻找更多可能性。这次，美国一所大学将日本传统折纸文化融入现代材料科学中，让原本的陶瓷材料取得突破性进展，开发出一种在压力下会弯曲、不会破裂的新型陶瓷结构，有望用于医疗领域上。
陶瓷材料因耐高温、硬度高、抗压性强、生物相容性及优异复合特性被广泛用于医疗、材料科学、器皿、建筑、航天等领域上。不过，陶瓷材料易碎，促使科学家积极寻找更多改进方法。
这次，美国休斯顿大学（University of Houston, UH）机械和航空航天研究团队为了实现这一目标，透过3D打印、三浦折叠（Miura-ori）与柔软聚合物涂层，将原本易碎的陶瓷转变成坚韧且灵活的新材料，有望用于医疗义肢、航天和机器人领域。该项研究成果于4月发表在《先进复合材料和混合材料》杂志上。
折纸是一门古老的艺术，能赋予多样形态并调整其特性，而三浦折叠技术能将纸张等平面物体，以平行四边形叠缩的方式，让纸张等平面物体缩小空间，且展开后依然保持平坦，目前广泛应用于建筑、机器人、航空航天和生物医学工程等工程领域上。
三浦折叠是由日本天体物理学家三浦公亮发明的折法。按该方法折叠后会形成特殊的褶皱；只需沿单一轴线方向拉伸，整个结构即可展开成平行四边形的“棋盘”，要收拢时则反向一推即可。
由于陶瓷硬又脆的特性，难以透过传统的高温铸造方式做出复杂精细结构，若要进行折纸设计就需其它方法。
该研究团队让陶瓷前驱体树脂、二氧化硅组成原料，并透过3D打印的立体光刻（SLA）技术和紫外线固化，将这些原料制成复杂三浦折叠折纸结构。随后再均匀涂覆75至100微米（µm）厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层，制成这次实验用陶瓷材料。这次使用的PDMS本身具有生物相容性强、弹性佳的特性。
研究人员为了测试这项新陶瓷材料的结构强度，先进行静态与循环压缩试验，再透过电脑模拟支援了这次的实验。结果显示，模拟与实验结果基本一致，并凸显PDMS涂层是如何显着提升陶瓷的拉伸性、抗压性和韧性。
实验中，他们发现该方法制作的陶瓷材料，大幅提高陶瓷材料的拉伸性、抗压和韧性。同时观测到有PDMS涂层的陶瓷结构，受到不同方向的压力时会出现弯曲，若压力未超过极限，释压后可恢复原状；没有PDMS涂层的陶瓷，则容易受到一点压力就快速出现破裂或断裂的情况。
静态压缩试验显示，PDMS涂层陶瓷材料在不同方向的韧性提升幅度不同：X轴（先前最不坚硬方向）增加860%，Y轴增加517%，Z轴增加27%。
实验人员表示，这次实验探索三浦折叠是否能改变陶瓷材料的脆性，并观测弹性涂层是否能改善陶瓷材料出现灾难性的故障。而我们得到的答案是肯定的，并发现弹性涂层不仅能提高折纸结构的韧性，还能阻止陶瓷材料的裂纹扩展。这些发现有望在未来应用到义肢和其它医疗领域上。
休斯顿大学工程助理教授马克苏德‧拉赫曼（Maksud Rahman）对该校的新闻室表示，“陶瓷材料在适当的条件下具有生物相容性、轻量和耐用性，但它的失效往往是灾难性的。我们的目标是以更安全、有效的方式减缓其灾难性失效。”
休斯顿大学工程的博士后研究员穆罕默德‧沙杰杜尔‧霍克‧塔库尔（Md Shajedul Hoque Thakur）则表示，“折纸几何形状赋予陶瓷机械适应性，聚合物涂层赋予陶瓷具有足够的柔韧性，防止它快速出现断裂。”
拉赫曼教授强调，“折纸不仅是一门艺术，更是一种强大的设计工具，可以帮助我们应对生物医学和工程领域上的挑战。这项研究证明折叠模式，是如何赋予脆弱材料新功能。”