中科院：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

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

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(guò)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(guò)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（Fig. 1）。接著研究人員對(duì)d-IPC材料進(jìn)行了打印（Fig. 2A）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(guò)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)68 MPa。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)（Fig. 2B）。

圖1：超聲-DLP打印過(guò)程和推導(dǎo)出d-IPC的示意圖。

圖2：(A)原樣打印的d-IPC樣品和(B)用于比較的基準(zhǔn)材料的圖示。

通過(guò)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(lái)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(guò)誘導(dǎo)局部漸近失效來(lái)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（Fig. 3A、B），進(jìn)一步發(fā)揮d-IPC材料的多功能應(yīng)用潛力（Fig. 3C）。

圖3：(A,B)對(duì)各種顆粒的擴(kuò)展研究和(C)對(duì)增強(qiáng)導(dǎo)熱性、磁性和微波吸收的多功能性演示。

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(lái)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。