通过数字光处理3D打印的牺牲模具实现智能材料制造

供稿人：戚书豪 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


近年来，人们对于材料的认识逐渐从仅能承受载荷的结构，发展成可以发挥特定作用的功能材料，随着工作情况要求的提高，能够根据环境实现不同功能的智能材料因此逐渐成为科研人员和社会所关注的话题，而基于数字光处理技术（DLP）的3D打印智能结构为智能器件生产提供了新的解决方案，通过将单层光敏树脂材料固化并累积起来的方式可以制造更加复杂结构的材料，但材料的类别局限于光敏树脂；纳米颗粒可以赋予材料功能，但是具有高紫外线吸收率的纳米颗粒与数字光处理技术3D打印不兼容，不能作为打印材料。

为了结合数字光处理工艺与纳米颗粒材料的特性，科研人员采用了一种3D打印牺牲模具的方法，所谓牺牲模具方法，简单地说就是先使用光敏树脂材料3D打印出模具，再将我们所需要的材料浇注在模具中，最后采用物理的或化学的方法去除打印的模具，得到内部零件的方法。研究人员首先以具有可水解的缩醛基团双官能丙烯酸酯单体TBMMA与交联剂4-丙烯酰吗啉（ACMO）混合，通过DLP打印构建牺牲热固性模具，然后制备出具有动态二硫键的环氧树脂/碳纳米管复合材料（EPSS / CNTs），将复合材料倒入模具中并加热，此时复合材料固化，而模具由于热固性不会熔化；随后将结构浸泡在乙酸溶液中，模具逐渐水解，得到内部的复合材料模型。

图1 使用牺牲模具浇注成型的过程

碳纳米管的加入使得最终得到的复合材料具有形状记忆的特性，通过近红外光（NIR）的照射能够使结构恢复原状。如图2所示，通过加热的方式使爪子展开，再通过近红外光分别照射五个分支，5个分支依次关闭，实现爪子抓取的任务。

图2 获得材料的形状记忆特性

二硫键的加入使得材料具有自愈合的特性，如图3所示，在划痕上，二硫键被破坏并以另一种方式交换为链接。在碳纳米管的帮助下，EPSS/碳纳米管通过光热转换实现了近红外光照射下的局部加热，当该区域加热到160°C时，二硫键可以迅速进行可逆交换以释放应力，重新形成二硫键，从而实现划痕的自愈。

图3 获得材料的自愈合特性

通过牺牲模具方法制造的环氧树脂/碳纳米管复合材料实现了形状记忆功能和自愈合特性，为3D打印制造智能材料提供了新思路，丰富了材料选择，这将大大扩展3D打印智能结构在尖端领域的应用。未来有望通过不同的材料组合实现更复杂的功能，使得材料变得越来越“智能”。
参考文献：

    J.-T。 Miao, M. Ge, Y. Wu, S. Peng, L. Zheng, TY Chou, L. Wu, 3D 打印牺牲热固性模具用于构建近红外辐射诱导自修复 3D 智能结构, 化学工程杂志 427 ( 2022) 131580。