微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的嵌入式3D打印

來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)
供稿人：胡即昌、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

陶瓷材料具有強(qiáng)度高、硬度高、熱穩(wěn)定性好和抗氧化等優(yōu)良特性，是許多應(yīng)用的理想選擇但這些特性也使其加工和成型特別具有挑戰(zhàn)性。增材制造可以為先進(jìn)復(fù)合材料和多材料設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的機(jī)會(huì)。然而，當(dāng)涉及到無(wú)機(jī)材料的組合時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)許多先進(jìn)應(yīng)用所要求的結(jié)構(gòu)控制。因此，需要開(kāi)發(fā)一種新的3D打印策略制造具有微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料陶瓷。

帝國(guó)理工學(xué)院Zhou Shitong等人開(kāi)發(fā)了一種在致密陶瓷內(nèi)打印復(fù)雜金屬和碳結(jié)構(gòu)的方法，并展示了該技術(shù)如何制造包含超材料增強(qiáng)材料的復(fù)合材料或在陶瓷中引入 3D 微通道陣列。此方法通過(guò)嵌入式打印，研發(fā)了一種自修復(fù)陶瓷凝膠，使打印噴嘴能夠在其內(nèi)部移動(dòng)。經(jīng)過(guò)熱處理后，凝膠形成無(wú)缺陷的陶瓷，封裝打印結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)可在氧化鋁陶瓷內(nèi)打印犧牲輕質(zhì)石墨結(jié)構(gòu)以及致密鋼框架。結(jié)果表明，嵌入式 3D 打印可以為實(shí)現(xiàn)新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)開(kāi)辟道路。

嵌入式打印過(guò)程如圖 1所示，可在補(bǔ)充信息中查看。在我們的系統(tǒng)中，墨水和基質(zhì)均基于含有無(wú)機(jī)粉末的熱可逆水凝膠 Pluronic F127。將打印噴嘴插入凝膠中直至基質(zhì)恢復(fù)其剛度。之后噴嘴沿著預(yù)編程的路徑移動(dòng)，同時(shí)擠出墨水。噴嘴通過(guò)后，基質(zhì)回流以修復(fù)噴嘴留下的裂縫，恢復(fù)其強(qiáng)度和剛度以支撐打印結(jié)構(gòu)。利用這種方法，可在致密氧化鋁內(nèi)部構(gòu)建鋼和石墨結(jié)構(gòu)。

圖1 嵌入式打印工藝和打印復(fù)合材料示例

設(shè)計(jì)陶瓷復(fù)合材料時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題之一是平衡強(qiáng)度和韌性。通常，一個(gè)的增加意味著另一個(gè)的大幅下降。通過(guò)在陶瓷基質(zhì)中使用金屬纖維的嵌入式打印，可以增加斷裂功，同時(shí)在很大程度上保持強(qiáng)度。此外，該技術(shù)可以引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，旨在設(shè)計(jì)殘余應(yīng)力、引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展和最大化增韌。

圖2 鋼增強(qiáng)Al2O3的斷裂行為及熱應(yīng)力的有限元建模

該研究介紹了基于熱可逆 Pluronic水凝膠的基質(zhì)和墨水凝膠，并通過(guò)控制打印溫度、固體負(fù)載和Pluronic濃度來(lái)控制它們的粘彈性響應(yīng)。結(jié)果表明，嵌入式打印是制造多材料無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)的可行替代方案，未來(lái)可以找到額外的配方來(lái)支持無(wú)機(jī)基質(zhì)中的嵌入式打印，并為結(jié)合超材料增強(qiáng)體的復(fù)合材料和用于結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的設(shè)備的設(shè)計(jì)創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)：
S.Zhou, et al., Embedded 3D printing of microstructured multi-material composites, Matter 7 (2) (2024) 668–684 https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.10.031.