中科院：基于新型超聲場輔助的DLP 3D打印設計制備的超吸能非連續(xù)互穿相復合材料

來源：材料學網(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構的啟發(fā)，人們設計了高孔隙率（通?？紫堵蚀笥?0%）的固體結構并稱之為多孔結構。多孔結構具有輕質、高強的特點，并且在破壞過程中能夠保持較高的平臺應力，兼具優(yōu)異的能量吸收特性。然而，受到內部高度開放的孔隙影響，結構之間在破壞時缺乏相互保護。為了充分利用多孔結構應力平臺區(qū)的變形模式，可以將多孔結構作為復合材料中的增強相，制備互穿相復合材料（interpenetrating-phase composite，IPC）。然而，在設計IPC材料時，若采用樹脂與樹脂復合形式將導致材料強度不佳，而采用樹脂與金屬/陶瓷復合的形式又會增加材料的密度。因此，上述兩種設計方法均難以獲得理想的輕質材料。

為了獲得高性能的復合材料，不僅需要在材料設計方面進行創(chuàng)新，還需要對制備方法進行改進。基于物理場輔助定向自組裝樹脂3D打印技術是新一代復合材料的前沿制造技術，能夠對復合材料中填充的微結構進行精確控制。目前，可以通過電場、磁場、剪切場和超聲場輔助的形式實現(xiàn)填充物的定向自組裝。其中，超聲場利用駐波促使填充物運動，適用于多數(shù)填充材料。

近日，基于超聲場輔助的3D打印技術，研究人員提出了一種非連續(xù)互穿相復合材料，“discontinuous” IPC，簡稱為d-IPC材料。與傳統(tǒng)IPC不同，d-IPC的中增強體組元由非連續(xù)的顆粒組成。為了制備d-IPC材料，研究人員首先對DLP 3D打印機進行了改裝，添加了超聲場輔助定向自組裝裝置（Fig. 1）。接著研究人員對d-IPC材料進行了打?。‵ig. 2A）和實驗測試。實驗結果表明，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材料內部陶瓷顆?；ゲ幌噙B，但得益于宏觀有序的組裝方式，材料強度高達68 MPa。與陶瓷顆粒含量相同但顆粒隨機排列的復合材料及輕質高強點陣結構相比，d-IPC材料具有明顯的優(yōu)勢（Fig. 2B）。

圖1：超聲-DLP打印過程和推導出d-IPC的示意圖。

圖2：(A)原樣打印的d-IPC樣品和(B)用于比較的基準材料的圖示。

通過對d-IPC材料的增強機理進行研究，發(fā)現(xiàn)增強主要來自于有序組裝但非連續(xù)的陶瓷顆粒增強相，該增強相不會導致材料強度的顯著降低，但能夠通過誘導局部漸近失效來對材料的大變形進行調控。由于打印材料的開放性，超聲場輔助DLP 3D打印技術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合的材料制備中（Fig. 3A、B），進一步發(fā)揮d-IPC材料的多功能應用潛力（Fig. 3C）。

圖3：(A,B)對各種顆粒的擴展研究和(C)對增強導熱性、磁性和微波吸收的多功能性演示。

總而言之，該項研究展示了使用超聲場輔助的DLP 3D打印技術開發(fā)新型復合材料的潛力，使得材料具有優(yōu)異的能量吸收特性與獨特的變形模式。該研究也為未來復合材料吸能器設計提供了新思路。相關研究成果發(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。