3D打印混合塑料-碳纳米管混合材料晶格可应用于更轻、更耐撞击以及更清洁的汽车制造

3D打印科研前沿
2021
04/21
15:37
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来源:江苏激光产业技术创新战略联盟

据悉,研究人员发现通过将常用的塑料与碳纳米管结合在一起制成的一种新型3D打印材料比基于铝的结构更结实,重量更轻。相关研究成果发表在Materials & Design上,论文名为“Impact behaviour of nanoengineered, 3-D printed plate-lattices”。
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航空航天,海洋,汽车生物医学和民用领域,采用以不同长度范围(例如纳米、微米、微观、中观和宏观结构的晶格)加工的建筑材料的应用范围正在不断扩大。这些材料采用独特的建筑结构来控制和操纵机械应力、声音、光等,以及探索以前无法访问的机械、声学、光子和其他属性空间。被称为超材料的纳米和微结构材料代表了新兴的一类具有合理配置的结构层次的细胞材料。在这种材料中,在每一层上,宏观特性和相对密度是分离的。中观(尺寸范围从微米到毫米)或宏观结构的晶格因其卓越的能量吸收特性而被广泛用作几种高性能工程应用中的碰撞能量吸收器。根据服务要求,各种拓扑结构和材料组成的自然晶格和人工设计晶格可以被利用。通过空间定制的几何构型(例如,功能梯度的细胞壁、波纹和空间调整的半顶角),基础材料的选择(例如,聚合物,金属和复合材料)以及不同的拓扑结构(例如六边形,圆形,三角形和正方形),各种尝试被用来改善建筑结构的能量吸收特性。晶格结构如蜂窝以及其他晶格结构已被广泛研究和评估,以用于各种材料成分和拓扑结构。

常规材料合成和制造技术很难实现量身定制的材料配方和各种规模的复杂3D结构配置的组合。诸如增材制造之类的先进制造方法已经能够以不同的长度尺度(即,从纳米尺度到宏观尺度)制造晶格结构,从而增强了它们的机械性能。通过利用新兴的3D打印技术的优势,可以制造出具有有序、均匀且可重复的微观结构的晶格结构,并且可以调整和优化其晶胞拓扑结构,以实现特定应用的首选机械特性。

来自英国格拉斯哥大学、阿拉伯联合酋长国哈利法科学技术大学和美国德克萨斯A&M大学的研究人员通过纳米工程化的灯丝开发和熔融灯丝制造,将多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) 纳入3D板状晶格中,以增强能量吸收特性并拓宽聚丙烯 (polypropylene, PP) 和高密度聚乙烯 (high-density polyethylene, HDPE) 复合材料的应用范围。那研究人员开发的塑料-纳米管复合材料制造的新型板格设计是否可以晶体结构超材料具有更高的刚度、强度和韧性呢?

研究人员使用熔融长丝制造 (fused filament fabrication , FFF) 3D打印技术制造板状晶格,使用在尺寸为该技术215 mm×215 mm的加热模板上配备0.4 mm喷嘴的Flash Forge Creator Pro Dual Extrusion 3D打印机。3D板状晶格的能量吸收特性受其结构的很大影响。在这项工作中,研究了六种拓扑结构包括三种基本结构,例如简单立方 (simple cubic, SC) ,体心立方 (body-centered cubic, BCC) 和面心立方 (face-centered cubic, FCC) ,以及三种混合结构,即SC-BCC,SC-FCC和 对SC-BCC-FCC。
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▲图1. 各种基本和混合板状结构的晶胞设计,晶胞设计参数,CAD模型和印刷样品。所有板状晶格均具有相同的相对密度= 36%。

接着,研究人员使用CEAST 9350落锤式冲击塔对这些板状晶格样本进行了动态低速冲击测试。实验中使用的冲击器是一个直径为60毫米,质量为16.7千克的扁平钢制圆柱体。将晶格试样放置在刚性底座上,以检查冲击载荷下承受物理冲击的能力。下表显示了研究中选择的撞击高度,以及相应的撞击速度和能量。
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▲表1. 撞击高度、速度和相应撞击能量的总结

SC标本是唯一在36.5 J的冲击能量下完全破碎的晶格,没有任何能量回收,而所有其他板状晶格包括一些弯曲为主的都显示出轻微的残余弹性响应。

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▲图2. 显示冲击破坏的晶格截面的μCT图像:(a)SC,(b)BCC,(c)FCC,(d)SC-BCC,(e)SC-FCC和(f)SC-BCC-FCC 标本。

然后,研究人员测试了另外三个“混合”板状晶格,他们结合了第一个实验中较简单的设计中的功能-一个简单的立方体/复杂立方体混合体,一个简单的立方体/多面体混合体以及一个将所有三个混合在一起的结构。再次,制成由聚丙烯和聚乙烯制成的批料。

混合设计融合了所有三种典型板格设计的元素,被证明在吸收冲击方面最有效,而聚丙烯版本显示出最大的抗冲击性。研究人员使用一种称为“比能量吸收”的方法来确定材料相对于其质量的能量吸收能力,研究小组发现,聚丙烯混合板状晶格可以承受每克19.9焦耳的能量,这比基于铝的类似设计的微晶结构性能更好。

在这项研究中,研究了使用开发的碳纳米结构长丝原料通过FFF增材制造加工的PPR / MWCNT和HDPE / MWCNT板状晶格的低速冲击行为 测试了三种不同重量比的MWCNT的三种典型的基本(SC、BCC和FCC)以及三种混合的(SC-BCC,SC-FCC和SC-BCC-FCC)纳米混合板状晶格,并研究了其动态破碎和能量吸收特性 评估了在不同冲击能级下的中构筑复合晶格。

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格拉斯哥大学的S. Kumar博士表示,这项研究恰好位于机械和材料的交汇处。作为3D打印的原料开发的碳纳米结构长丝与混合复合板状晶格设计之间的平衡创造了非常令人兴奋的结果,在追求轻质工程的过程中,人们一直在寻找具有高性能的超轻质材料,该纳米混合板状晶晶格具有非凡的刚度和强度特性,并显示出优于用氧化铝构建的类似格的能量吸收特性。

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3D打印技术的进步使制造具有定制的孔隙度的复杂几何形状比以往更容易、更便宜、而这些孔隙率正是我们的板晶格设计的基础。在工业中制造这种设计可以成为现实。这种新型板状晶体的一种可能应用是在汽车制造中,在这一领域中,设计师们一直在努力制造更轻质的车身,而不会牺牲碰撞时的安全性。目前铝在许多现代汽车设计中使用,但该板状晶格结构提供了更大的抗冲击性,这可能使它在未来的应用中非常有用。同时,在迈向清洁制造时,这些板状格子中使用的塑料的可回收性也使它们具有吸引力。因为循环经济模型将是使地球更可持续发展的核心。

本文来源:J. Jefferson Andrew et al. Impact behavior of nanoengineered, 3D printed plate-lattices, Materials & Design(2021). DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109516



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