自調(diào)節(jié)塑料：格拉斯哥研究人員3D打印出負(fù)泊松比材料

魔猴君  科技前沿   7天前

想象一下拉伸一種材料，比如橡皮筋。拉伸得越多，它就越細(xì)。格拉斯哥大學(xué)的一組研究人員設(shè)計(jì)了一種相反的材料：拉伸時(shí)會(huì)膨脹的塑料。這些材料被稱為拉脹材料，研究人員通過精細(xì)的工程設(shè)計(jì)和3D打印內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這種獨(dú)特的性能。但是，這些塑料究竟是如何制造的？它們又有哪些應(yīng)用呢？

6月下旬，該團(tuán)隊(duì)宣布利用高性能工程塑料開發(fā)和設(shè)計(jì)新型拉脹結(jié)構(gòu)取得了突破性進(jìn)展。這項(xiàng)發(fā)表在《材料視野》（Materials Horizons）上的研究表明，增材制造技術(shù)能夠制造出具有可編程特性（例如強(qiáng)度、延展性和應(yīng)變敏感性）的自監(jiān)控材料。通常，拉脹材料具有卓越的力學(xué)性能，例如更高的能量吸收能力和更強(qiáng)的損傷容限，因此格拉斯哥團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種塑料具有廣泛的應(yīng)用潛力。

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

研究人員使用Apium Additive Technologies GmbH公司的Apium P220 FDM 3D打印機(jī)，采用PEEK材料制造了這些結(jié)構(gòu)。PEEK是一種固態(tài)半結(jié)晶熱塑性塑料，不僅耐熱耐磨，而且由于其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比，還能替代某些金屬。此外，這種材料輕質(zhì)且具有生物相容性，已被廣泛應(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材料的機(jī)械和電學(xué)性能。

“我們已經(jīng)證明，可以設(shè)計(jì)出不僅具有負(fù)泊松比特性，而且無(wú)需集成電子元件即可檢測(cè)變形和損傷的PEEK陣列，”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家Shanmugam Kumar教授說道。

制造過程

這種材料之所以具有自感知能力，是因?yàn)樗哂袎鹤栊?yīng)。壓阻效應(yīng)使材料能夠“感知”自身的拉伸、壓縮或沖擊狀態(tài)。研究人員利用四種基于聚醚醚酮（PEEK）的原材料構(gòu)建了一系列二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中三種材料中注入了碳納米管。這些碳納米管賦予塑料導(dǎo)電性，使其能夠作為傳感器。當(dāng)晶格結(jié)構(gòu)在機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)生可測(cè)量的變化。

打印過程示意圖（圖片來源：Johannes Schneider等/Materials Horizons）

格拉斯哥團(tuán)隊(duì)基于重復(fù)單元構(gòu)建了雙頭“Y”形模型，形成了一種分支-主干-分支的結(jié)構(gòu)。該框架使他們能夠制作更多模型，并通過調(diào)整厚度、角度和間距等參數(shù)來優(yōu)化每個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。最終，該團(tuán)隊(duì)編制了一份材料目錄，其中包含了各種不同程度的拉脹性、剛度、強(qiáng)度以及變形和/或損傷敏感性的材料。

為了支持新開發(fā)的材料，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，用于預(yù)測(cè)其在不同載荷條件下的性能。該工具能夠精確捕捉網(wǎng)絡(luò)電阻隨機(jī)械應(yīng)力的變化，從而使研究人員能夠在3D打印物理樣品之前，通過模擬優(yōu)化材料的性能?！巴ㄟ^結(jié)合設(shè)計(jì)、制造和預(yù)測(cè)建模，我們現(xiàn)在可以制造出在特定應(yīng)用中表現(xiàn)完全符合預(yù)期的材料，無(wú)論是吸收沖擊、檢測(cè)損傷還是以可控的方式變形，”庫(kù)馬爾先生說道。這意味著我們可以朝著“面向失效的設(shè)計(jì)”理念邁進(jìn)，在這種理念下，材料不僅要堅(jiān)固輕便，還要具備智能，能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)自身的完整性。

這些航空倫理材料的各種應(yīng)用

本研究建立在該團(tuán)隊(duì)先前使用炭黑增強(qiáng)聚乳酸（PLA）開展的工作之上，他們構(gòu)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)表的那項(xiàng)早期研究中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠顯著拉伸、檢測(cè)微小形變并承受高載荷的晶格結(jié)構(gòu)。與聚醚醚酮（PEEK）結(jié)構(gòu)類似，PLA晶格可以導(dǎo)電，并通過壓阻效應(yīng)的變化對(duì)機(jī)械形變做出響應(yīng)?！盎赑LA的設(shè)計(jì)非常適合臨時(shí)應(yīng)用，例如低載荷生物醫(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先生補(bǔ)充道。另一方面，基于PEEK的材料則為在更嚴(yán)苛的環(huán)境中制造永久性、承重智能組件鋪平了道路。

基于另一項(xiàng)研究，對(duì)傳統(tǒng)牽引器和負(fù)泊松比牽引器進(jìn)行了比較。（圖片來源：王志強(qiáng)，胡浩）

PEEK材料有哪些潛在應(yīng)用？庫(kù)馬爾先生列舉了幾個(gè)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還可以用于制造抗碰撞車輛結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。他總結(jié)道：“我們實(shí)際上是在為設(shè)計(jì)師們提供一個(gè)工具箱，讓他們能夠打造下一代兼具智能和強(qiáng)度的多功能材料。

編譯整理：3dnatives