华盛顿州立大学：3D打印磁性纤维增强复合材料，有望用于软体机器人

2022年2月18日，南极熊获悉，来自美国华盛顿州立大学的研究人员研制出含均匀分散磁性颗粒的光固化树脂，并通过数字光处理技术制备出磁性纤维增强聚合物基复合材料。

具有选择性纤维取向的纤维增强聚合物基复合材料（FRPCs）可用于生物结构、智能材料和能源设备等领域，磁场辅助大桶光聚合是制备这类复合材料的理想方法，但现有3D打印用树脂中磁性颗粒的分散稳定性较差，导致打印过程中磁性颗粒分布不均匀。

磁场辅助大桶光聚合的一个主要问题是颗粒在树脂体系中的分散不稳定，这导致了树脂成分和分散颗粒之间的分离，并导致打印过程中颗粒分布不均匀。

在这项研究中，研究人员分别采用刚性甲基丙烯酸酯类聚合物和弹性丙烯酸酯类聚合物作为基体；以磁铁矿颗粒为磁性颗粒，选用两种不同偶联剂对磁性颗粒进行表面改性，使其含有能与聚合物基体建立弱范德华键的官能团，以提高颗粒在树脂中的分散稳定性；将硅烷化反应下的表面改性的磁铁矿颗粒通过超声分别添加到两种树脂中，形成两种磁性颗粒-树脂混合物，通过数字光处理技术制备出磁性纤维增强聚合物复合材料。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析被用来选择匹配的硅烷化合物组成，并验证每种树脂混合物中处理过的磁铁矿颗粒的功能。通过对树脂混合物的视觉观察和显微镜图像的分析，验证了所开发的树脂系统的分散稳定性。为了给所开发的树脂系统的3D打印提供一个更好的指导，研究了含有不同颗粒成分的每个树脂系统的固化深度。设计了拉伸试验，以了解颗粒含量、取向和表面处理对3D打印FRPCs的机械性能的影响。

这项研究的结果表明，通过对磁铁矿颗粒进行表面处理，可以开发出一种优化的颗粒-树脂体系，并带有功能团。具体而言，随着磁性颗粒含量增加（0.2~4%wt.），复合材料的杨氏模量逐渐增加；打印过程中使用磁场会在沿磁场方向形成短颗粒链，从而改善复合材料的力学性能。

据了解，这种磁性纤维增强聚合物基复合材料有望用于软体机器人、永磁体、电动机等。

图1.本研究中涉及的流程图

图2. (a)表面处理过的颗粒和(b)重新处理过的颗粒的制备过程。

图3. (a)研究颗粒树脂系统固化动力学的流程图，(b)CAD模型和(c)3D打印的4号样品案例，研究100μm层高的临界曝光时间。

图4. (a)定制的打印机设置，(b)添加到定制的3D打印机中的亥姆霍兹线圈的示意图，用于在树脂桶中产生均匀的磁场，用于增材制造拉伸测试样品，(c)本研究中使用的厚度为2毫米的拉伸测试样品的几何形状。图中的坐标系代表了拉伸试验中的粒子方向。

图5. (a) 甲基丙烯酸酯硅烷处理的磁铁矿颗粒的FTIR分析 (b) 丙烯酸酯硅烷处理的FTIR分析

图6. 经处理的颗粒树脂系统的固化深度，当暴露在10秒的紫外线下时，（a）弹性树脂和（b）UHR树脂。实验和理论上的临界曝光时间之间的比较，以(c)弹性树脂和(d)UHR树脂作为聚基体的处理过的粒子-树脂系统达到100微米的固化深度。

图7  沉淀和时间序列固化试验的结果。(a) 在一段时间内观察由处理过的颗粒和未处理过的颗粒组成的树脂系统，发现含有处理过的颗粒的树脂中颗粒沉淀较少。(b)和(c)光学显微镜图片来自厚度为0.3毫米的样品，通过固化沉淀样品的顶部部分获得。较深的图片显示了沿着样品的颗粒含量较多。(d)和(e)通过固化沉淀样品获得的0.3毫米厚度样品的平均灰度值的显微镜图像。较高的灰度值对应于较浅的颜色和较低的颗粒含量。(f) 通过使用(e)中的灰度值和我们以前工作中介绍的模型[41]，估计UHR样品中颗粒的重量分数。

图8  拉伸试验的结果。(a)和(b)弹性和UHR树脂系统的杨氏模量，以及(c)和(d)弹性和UHR树脂系统的断裂伸长率。

这项研究的更多细节可以在题为 "Particle-resin systems for additive manufacturing of rigid and elastic magnetic polymeric composites"的论文中找到。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042100734X