自控塑料：格拉斯哥研究人員3D打印膨脹材料

魔猴君  科技前沿   10小時(shí)前

想象一下拉伸一種材料，比如橡皮筋。你拉伸得越多，它就越薄。格拉斯哥大學(xué)的一組研究人員設(shè)計(jì)了一種與之相反的材料：拉伸時(shí)會(huì)膨脹的塑料。這些被稱(chēng)為拉脹材料，研究人員通過(guò)精心設(shè)計(jì)和3D打印內(nèi)部幾何形狀實(shí)現(xiàn)了這種獨(dú)特的特性。但這些塑料究竟是如何制造的？它們又有哪些應(yīng)用呢？

六月底，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了在高性能工程塑料新型拉脹結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)方面取得的突破。這項(xiàng)研究發(fā)表在《材料視界》（Materials Horizons）雜志上，展示了增材制造如何創(chuàng)造出具有可編程特性（例如強(qiáng)度、拉伸性和應(yīng)變靈敏度）的自監(jiān)控材料。通常，拉脹材料具有非凡的機(jī)械特性，例如更高的能量吸收率和損傷容限，因此格拉斯哥團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的塑料具有廣泛的應(yīng)用潛力。

格拉斯哥研究插圖（圖片來(lái)源：Johannes Schneider等人/Materials Horizons）

研究人員使用Apium Additive Technologies GmbH的Apium P220 FDM 3D打印機(jī)（采用PEEK材料）創(chuàng)建了這些結(jié)構(gòu)。PEEK是一種堅(jiān)固的半結(jié)晶熱塑性塑料，不僅耐熱耐磨，而且由于其強(qiáng)度重量比高，可以替代某些金屬。此外，這種材料重量輕且具有生物相容性，已廣泛應(yīng)用于工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。使用PEEK材料使研究人員能夠精確控制機(jī)械和電氣行為。

“我們已經(jīng)證明，設(shè)計(jì)出不僅具有拉脹性的PEEK網(wǎng)絡(luò)是可能的，而且它還能夠感知應(yīng)變和損傷，而無(wú)需集成電子設(shè)備，”該研究的通訊作者、格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院材料和增材制造專(zhuān)家Shanmugam Kumar教授說(shuō)道。

制造過(guò)程

這種材料之所以具有自感知能力，是因?yàn)橐环N名為壓阻效應(yīng)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象使材料能夠“感知”自身受到的拉伸、壓縮或沖擊。研究人員利用四種基于PEEK的原材料，構(gòu)建了一系列二維晶格，其中三種原材料中注入了碳納米管。這些納米管賦予塑料導(dǎo)電性，使其能夠充當(dāng)傳感器。當(dāng)晶格結(jié)構(gòu)在機(jī)械應(yīng)力作用下變形時(shí)，其內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)生可測(cè)量的變化。

打印過(guò)程圖解（圖片來(lái)源：Johannes Schneider等人/Materials Horizons）

格拉斯哥團(tuán)隊(duì)基于形似雙端“Y”的重復(fù)單元?jiǎng)?chuàng)建了模型，形成了一種“枝干枝”式的排列。該框架使他們能夠制作出大量的模型，并通過(guò)修改厚度、角度和間距等參數(shù)來(lái)優(yōu)化每個(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。最終，該團(tuán)隊(duì)編制了一份材料目錄，其中包含了不同程度的膨脹性、剛度、強(qiáng)度以及對(duì)變形和/或損傷的敏感性。

為了支持新開(kāi)發(fā)的材料，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型來(lái)預(yù)測(cè)這些材料在不同負(fù)載條件下的行為。該工具能夠精確捕捉網(wǎng)絡(luò)電阻隨機(jī)械應(yīng)力變化的情況，使他們能夠在3D打印實(shí)體樣品之前，通過(guò)模擬來(lái)優(yōu)化材料的行為?！巴ㄟ^(guò)結(jié)合設(shè)計(jì)、制造和預(yù)測(cè)建模，我們現(xiàn)在可以創(chuàng)造出完全符合特定應(yīng)用需求的材料，無(wú)論是吸收沖擊、檢測(cè)損傷，還是以受控的方式變形，”Kumar說(shuō)道。這意味著我們可以邁向“為失效而設(shè)計(jì)”的理念，使材料不僅堅(jiān)固輕便，而且智能化，能夠隨著時(shí)間的推移監(jiān)測(cè)自身的完整性。

這些膨脹材料的各種應(yīng)用

這項(xiàng)研究建立在該團(tuán)隊(duì)之前對(duì)炭黑浸漬PLA進(jìn)行的研究的基礎(chǔ)上，當(dāng)時(shí)他們創(chuàng)建了一個(gè)包含56種不同拉脹晶格結(jié)構(gòu)的庫(kù)。在去年發(fā)表的這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠大幅拉伸、感知微小變形或承受高負(fù)荷的晶格。與PEEK結(jié)構(gòu)一樣，PLA結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)電，并通過(guò)壓阻系數(shù)的變化來(lái)響應(yīng)機(jī)械變形?！盎赑LA的設(shè)計(jì)非常適合臨時(shí)應(yīng)用，例如低負(fù)荷生物醫(yī)學(xué)植入物中的智能支架，或嵌入運(yùn)動(dòng)器材中的一次性傳感器，”Kumar補(bǔ)充道。與此同時(shí)，PEEK基材料為在更苛刻的環(huán)境中制造永久性承重智能組件鋪平了道路。”

另一項(xiàng)研究中，傳統(tǒng)間隔織物與拉脹間隔織物的比較。（圖片來(lái)源：Wang Z,Hu H.）

PEEK材料有哪些潛在應(yīng)用？Kumar列舉了幾種可能性，包括智能骨科植入物、航空航天涂層和可穿戴技術(shù)。PEEK還可以用于抗碰撞車(chē)輛結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。他總結(jié)道：“我們實(shí)際上是為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)工具箱，幫助他們打造下一代兼具智能和堅(jiān)固的多功能材料。

編譯整理：3dnatives