《Research》: 受贝壳珍珠层启发的3D 打印结构,具有出色机械及阻燃性能

3D打印科研前沿
2022
01/28
13:59
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来源:高分子科学前沿

由于消防、军事、工业和航空航天工程中对高性能隔热的需求,轻型和强阻燃结构已被广泛研究。并且电子设备的小型化和多功能集成中的热积累问题,对电子设备中的热控制结构的需求也越来越大。陶瓷和聚合物因其良好的可加工性和出色的机械、热和电性能而成为热控制/阻燃结构的理想选择。然而,这两种材料的耐缺陷性和高强度性能并没有很好地结合起来。自然界中有一种方法可以通过在珍珠层中将陶瓷片与生物聚合物夹层组装在一起来产生坚固且耐瑕疵的结构。经过数百万年的演变,珍珠层具有出色的强度、刚度和韧性。

鉴于此,美国圣地亚哥州立大学助理教授Yang Yang团队,美国南加州大学Yong Chen教授团队和武汉大学Ziyu Wang教授团队合作研发出一种受珍珠层启发的3D 打印结构,该打印结构具有出色的机械及阻燃性能。相关研究在Science合作期刊《Research》(a Science Partner Journal)杂志上发表了题为“3D Printing of Nacre inspired Structures with Exceptional Mechanical and Flame-retardant Properties”的文章。参与者有亚利桑那州立大学助理教授Xiangjia Li, 圣地亚哥州立大学助理教授Wenwu Xu,南加州大学助理教授Qiming Wang, 圣地亚哥州立大学博士生Qingqing He, 南加州大学博士生Yushun Zeng, Gengxi Lu, 博士后Laiming Jiang,硕士生Siqi Xiao, Shuang Lin等。

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文章亮点
1、报告了一种旋转叶片铸造辅助 3D 打印工艺(rotation-blade casting-assisted 3D printing process),以将受珍珠层启发的高负载氮化硼(BN)BN 排列构建成任意复杂结构,并具有增强的机械性能、高度各向异性的导热性和出色的阻燃性。
2、研究了氮化硼(BN)在高粘度浆料中的取向机理。受珍珠层启发的 3D 打印结构具有高负载量的 a-BN(55wt%),该结构显示出比天然珍珠层更高的断裂韧性和比强度。基本机理研究表明,优异的力学性能归因于裂纹偏转、a-BNs 桥接以及 TMSPMA 与聚合物基体之间的共价键合增强了氮化硼拉出过程中的大剪切力。与纯的光固化树脂相比,该结构增强了5.8 倍的各向异性热导率。
3、分析了机械和阻燃增强机制,进一步证明了具有分支结构的 3D 打印散热器对大功率发光二极管 (LED) 显示出有效的热控制和散热。
4、3D 打印的头盔和盔甲被证明同时具有阻燃和机械保护性能,展示了在军事、消防设备、机械和航空航天工程中的潜在应用。
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图1. (A) 示意图显示了乐高消防员上的 3D 打印阻燃装甲,该装甲具有受珍珠层启发的对齐 BN 以及 BM 结构的 SEM 图像。 还介绍了 TMSPMA 接枝 BN 与聚合物网络之间的键合; (B) 旋转叶片铸造辅助 3D 打印技术的设置、基于投影的立体光刻工艺中叶片铸造产生的 BN 的对准和对准机制。
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图2. (A) 投影图像图案是通过切割珍珠层模型进行 3D 打印生成的,并且 BN 在旋转叶片铸造过程中通过剪切力对齐; 选择性曝光(紫色部分)将固化复合材料; (B) 3D 打印珍珠层的 SEM 图像,展示了对 BN 排列的精确控制; (C) 天然珍珠层与 3D 打印珍珠层的载荷-位移曲线比较; (D) 断裂后 3D 打印珍珠层中的裂纹分支; (E) SEM 图像中的裂纹偏转和使用 Comsol Multiphysics 进行的模拟。
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图3. (A) 3D 打印带有珍珠层启发的 a-BN 的消防员防护头盔; (B, C, D) 纯光固化树脂、r-BN 和 a-BN 的 3D 打印头盔的阻燃测试、热流演示和裂纹的 SEM 图像; (E) 3D打印头盔受压的载荷-位移曲线; (F) 纯 SI、r-BN 和 a-BN 的装甲燃烧后的 3D 打印装甲和 SEM 图像的阻燃测试; (G) 打印盔甲和乐高消防员身体之间的热电偶的温度变化,用于带有纯 SI、SI/r-BN 和 SI/a-BN 的 3d 打印装甲背面。


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