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3D新聞

超聲場(chǎng)輔助DLP 3D打印設(shè)計(jì)制備超吸能非連續(xù)互穿相復(fù)合材料

星之球科技 來源:世界先進(jìn)制造技術(shù)論壇2022-03-15 我要評(píng)論(0 )   

新加坡國立大學(xué)Zhai Wei和Lim Kian Meng課題組向南極熊投來稿件:基于新型超聲場(chǎng)輔助的DLP 3D打印設(shè)計(jì)制備的超吸能非連續(xù)互穿相復(fù)合材料。受到木材、骨小梁、蝴蝶翅膀和...

新加坡國立大學(xué)Zhai Wei和Lim Kian Meng課題組向南極熊投來稿件:基于新型超聲場(chǎng)輔助的DLP 3D打印設(shè)計(jì)制備的超吸能非連續(xù)互穿相復(fù)合材料。

受到木材、骨小梁、蝴蝶翅膀和海洋生物骨架等自然界孔隙結(jié)構(gòu)的啟發(fā),人們?cè)O(shè)計(jì)了高孔隙率(通??紫堵蚀笥?0%)的固體結(jié)構(gòu)并稱之為多孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn),并且在破壞過程中能夠保持較高的平臺(tái)應(yīng)力,兼具優(yōu)異的能量吸收特性。然而,受到內(nèi)部高度開放的孔隙影響,結(jié)構(gòu)之間在破壞時(shí)缺乏相互保護(hù)。為了充分利用多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力平臺(tái)區(qū)的變形模式,可以將多孔結(jié)構(gòu)作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)相,制備互穿相復(fù)合材料(interpenetrating-phase composite,IPC)。然而,在設(shè)計(jì)IPC材料時(shí),若采用樹脂與樹脂復(fù)合形式將導(dǎo)致材料強(qiáng)度不佳,而采用樹脂與金屬/陶瓷復(fù)合的形式又會(huì)增加材料的密度。因此,上述兩種設(shè)計(jì)方法均難以獲得理想的輕質(zhì)材料。

為了獲得高性能的復(fù)合材料,不僅需要在材料設(shè)計(jì)方面進(jìn)行創(chuàng)新,還需要對(duì)制備方法進(jìn)行改進(jìn)。基于物理場(chǎng)輔助定向自組裝樹脂3D打印技術(shù)是新一代復(fù)合材料的前沿制造技術(shù),能夠?qū)?fù)合材料中填充的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。目前,可以通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)、剪切場(chǎng)和超聲場(chǎng)輔助的形式實(shí)現(xiàn)填充物的定向自組裝。其中,超聲場(chǎng)利用駐波促使填充物運(yùn)動(dòng),適用于多數(shù)填充材料。

近日,基于超聲場(chǎng)輔助的3D打印技術(shù),研究人員提出了一種非連續(xù)互穿相復(fù)合材料,” discontinuous” IPC,簡(jiǎn)稱為d-IPC材料。與傳統(tǒng)IPC不同,d-IPC的中增強(qiáng)體組元由非連續(xù)的顆粒組成。為了制備d-IPC材料,研究人員首先對(duì)DLP 3D打印機(jī)進(jìn)行了改裝,添加了超聲場(chǎng)輔助定向自組裝裝置(圖1)。
△Fig. 1: A schematic of the ultrasonic-DLP printing process and deriving the d-IPC.


接著研究人員對(duì)d-IPC材料進(jìn)行了打?。▓D2A)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與純樹脂材料相比,含有1 wt%陶瓷顆粒的d-IPC材料經(jīng)過優(yōu)化后比能量吸收提高了37 J/g。此外,雖然d-IPC材料內(nèi)部陶瓷顆?;ゲ幌噙B,但得益于宏觀有序的組裝方式,材料強(qiáng)度高達(dá)68MPa。與陶瓷顆粒含量相同但顆粒隨機(jī)排列的復(fù)合材料及輕質(zhì)高強(qiáng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比,d-IPC材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)(圖2B)。

△Fig. 2: Illustration of the (A) as-printed d-IPC samples and (B) benchmarking materials used for comparisons.

通過對(duì)d-IPC材料的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)主要來自于有序組裝但非連續(xù)的陶瓷顆粒增強(qiáng)相,該增強(qiáng)相不會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度的顯著降低,但能夠通過誘導(dǎo)局部漸近失效來對(duì)材料的大變形進(jìn)行調(diào)控。由于打印材料的開放性,超聲場(chǎng)輔助DLP 3D打印技術(shù)可推廣到含有不同材料、尺寸和形態(tài)的填充物與樹脂基體復(fù)合的材料制備中(圖3A、B),進(jìn)一步發(fā)揮d-IPC材料的多功能應(yīng)用潛力(圖3C)。
△Fig. 3: (A,B) Extended studies for a diverse range of particles and demonstrations of (C) multifunctionalities for enhanced thermal conductivity, magnetism, and microwave absorption.

總而言之,該項(xiàng)研究展示了使用超聲場(chǎng)輔助的DLP 3D打印技術(shù)開發(fā)新型復(fù)合材料的潛力,使得材料具有優(yōu)異的能量吸收特性與獨(dú)特的變形模式。該研究也為未來復(fù)合材料吸能器設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表于Applied Materials Today期刊,Li Xinwei博士為論文第一作者,Lim Kian Meng副教授和Zhai Wei助理教授為論文通訊作者。

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