中科院:基于新型超声场辅助的DLP 3D打印设计制备的超吸能非连续互穿相复合材料

3D打印科研前沿
2022
03/21
22:17
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来源:材料学网

受到木材、骨小梁、蝴蝶翅膀和海洋生物骨架等自然界孔隙结构的启发,人们设计了高孔隙率(通常孔隙率大于70%)的固体结构并称之为多孔结构。多孔结构具有轻质、高强的特点,并且在破坏过程中能够保持较高的平台应力,兼具优异的能量吸收特性。然而,受到内部高度开放的孔隙影响,结构之间在破坏时缺乏相互保护。为了充分利用多孔结构应力平台区的变形模式,可以将多孔结构作为复合材料中的增强相,制备互穿相复合材料(interpenetrating-phase composite,IPC)。然而,在设计IPC材料时,若采用树脂与树脂复合形式将导致材料强度不佳,而采用树脂与金属/陶瓷复合的形式又会增加材料的密度。因此,上述两种设计方法均难以获得理想的轻质材料。

为了获得高性能的复合材料,不仅需要在材料设计方面进行创新,还需要对制备方法进行改进。基于物理场辅助定向自组装树脂3D打印技术是新一代复合材料的前沿制造技术,能够对复合材料中填充的微结构进行精确控制。目前,可以通过电场、磁场、剪切场和超声场辅助的形式实现填充物的定向自组装。其中,超声场利用驻波促使填充物运动,适用于多数填充材料。

近日,基于超声场辅助的3D打印技术,研究人员提出了一种非连续互穿相复合材料,“discontinuous” IPC,简称为d-IPC材料。与传统IPC不同,d-IPC的中增强体组元由非连续的颗粒组成。为了制备d-IPC材料,研究人员首先对DLP 3D打印机进行了改装,添加了超声场辅助定向自组装装置(Fig. 1)。接着研究人员对d-IPC材料进行了打印(Fig. 2A)和实验测试。实验结果表明,与纯树脂材料相比,含有1 wt%陶瓷颗粒的d-IPC材料经过优化后比能量吸收提高了37 J/g。此外,虽然d-IPC材料内部陶瓷颗粒互不相连,但得益于宏观有序的组装方式,材料强度高达68 MPa。与陶瓷颗粒含量相同但颗粒随机排列的复合材料及轻质高强点阵结构相比,d-IPC材料具有明显的优势(Fig. 2B)。

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图1:超声-DLP打印过程和推导出d-IPC的示意图。
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图2:(A)原样打印的d-IPC样品和(B)用于比较的基准材料的图示。

通过对d-IPC材料的增强机理进行研究,发现增强主要来自于有序组装但非连续的陶瓷颗粒增强相,该增强相不会导致材料强度的显著降低,但能够通过诱导局部渐近失效来对材料的大变形进行调控。由于打印材料的开放性,超声场辅助DLP 3D打印技术可推广到含有不同材料、尺寸和形态的填充物与树脂基体复合的材料制备中(Fig. 3A、B),进一步发挥d-IPC材料的多功能应用潜力(Fig. 3C)。

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图3:(A,B)对各种颗粒的扩展研究和(C)对增强导热性、磁性和微波吸收的多功能性演示。

总而言之,该项研究展示了使用超声场辅助的DLP 3D打印技术开发新型复合材料的潜力,使得材料具有优异的能量吸收特性与独特的变形模式。该研究也为未来复合材料吸能器设计提供了新思路。相关研究成果发表于Applied Materials Today 期刊,Li Xinwei博士为论文第一作者,Lim Kian Meng副教授和Zhai Wei助理教授为论文通讯作者。


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