自传感材料会成为未来3D打印技术的新机遇吗？

南极熊导读：如果3D打印材料能够在问题来不及解决之前及时发现问题，那将会带来怎样的影响？

△格拉斯哥大学工程师创造的四种不同测试样品

2024年10月9日，南极熊获悉，英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的工程师们正在致力于创建一个系统，旨在模拟自感应3D打印复合材料的物理特性。这些材料通过测量电流来检测应变、负载和损坏，能够实现实时监控材料状态，从而为各种应用释放安全性和质量保证的潜力。

△该研究结果已发表在《先进功能材料》杂志上，题目为“自主传感架构材料”（传送门）

那么，这些自感应材料是如何工作的呢？研究人员表示，将碳纳米管细丝编织到材料内部，使它能够传输电流，并通过一种称为“压阻效应”的现象，赋予材料监测自身结构完整性的能力。当电流发生变化时，可能意味着材料遭受了压缩或拉伸，这就为及时解决故障提供了依据。

通过这些创新，工程师们不仅能够提升3D打印材料的可靠性，还能推动其在航空航天、建筑和医疗等领域的广泛应用。格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Shanmugam Kumar教授领导了这项研究，他指出：“将压阻行为赋予3D打印的蜂窝材料，使其能够在不添加任何额外硬件的情况下，监测自身性能。”这种方法有望在材料科学和工程技术领域开辟新的可能性。

△格子样品及其热成像分析

如何测试自感应材料

格拉斯哥大学的工程师们结合聚醚酰亚胺 (PEI) 和碳纳米管，创造出了四种具有功能性（FFF）的轻质晶格结构设计。这些晶格设计被称为自主传感架构材料，并对其压阻行为进行了系统测试。研究团队评估了这些材料的刚度、强度、能量吸收和自感应能力，并利用复杂的计算机模型，构建了一个系统以预测这些材料在不同负载下的反应。

在获得模型预测结果后，团队通过在现实条件下对材料进行深入分析来验证这些预测。他们使用红外热成像技术可视化了流经材料的电流，发现模型能够准确预测材料在各种应力和应变下的反应，以及电阻如何受到影响。

Kumar教授解释了他们开发的模型将如何帮助优化自主感应材料的研发。他表示：“虽然研究人员已经了解这些特性一段时间，但我们缺乏一种方法来提前预见新型自主感应材料开发的效果。相反，我们往往依赖反复试验来确定最佳的开发方法，这既耗时又费钱。”

△颗粒状聚醚酰亚胺 (PEI)

如何使用3D打印自感应材料

自感应材料在增材制造领域具有巨大的应用潜力。例如，在航空航天和汽车行业，自感应材料能够实时监测飞机、航天器和车辆部件的结构完整性，从而增强安全性和维护性能。如果将自感应材料应用于桥梁和隧道等结构中，能够在问题导致坍塌之前发出警报。工程师们还声称，“对智能骨科、结构健康监测、传感器、电池和其它多功能应用具有深远影响”。

△压阻有限元分析方法：使用稳态热分析中的电热类比计算电阻率，与机械分析的时间步长同步。根据从机械分析通过热分析获得的应力场更新局部电阻率场，采用USDFLD子程序定义母体PEI/CNT复合材料的压阻响应

工程师们进一步阐述了如何继续进行他们的研究。Kumar表示：“虽然我们在此研究中重点关注了嵌入碳纳米管的PEI材料，但我们基于多尺度有限元建模的研究结果，可以轻松应用于其它可通过增材制造的材料。”

这项研究不仅推动了自感应材料的优化，也为3D打印领域带来了新的思路和方向。Kumar补充道：“我们希望这种方法能够鼓励其他研究人员开发新的自主传感架构材料，充分挖掘这种方法在各行各业的材料设计和开发中的潜力。”