格拉斯哥大学新研究:3D打印智能塑料可监测自身健康状况

3D打印动态
2025
07/17
20:08
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本帖最后由 warrior熊 于 2025-7-17 20:14 编辑

2025年7月17日,南极熊获悉,来自格拉斯哥大学的研究人员开发出了一种 3D 打印智能塑料结构,它可以感知何时被拉伸、压缩或损坏,并做出相应调整。这些智能晶格由碳纳米管 (CNT) 增强的高性能塑料制成,可用于从医疗植入物到航空航天部件等各种领域。

相关研究以题为“Topology-engineered piezoresistivelattices with programmable strain sensing, auxeticity, and failure modes”的论文发表在《材料视界》杂志上。

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论文详细介绍了团队如何将聚醚醚酮 (PEEK) 与多壁碳纳米管 (CNT) 相结合,创造出一种既结构坚固又具有电响应性的材料。随着材料变形,电阻会发生变化,从而实现实时自我监控。

本研究由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Shanmugam Kumar教授领导,马尔凯理工大学和美国德克萨斯A&M大学也参与其中。研究还得到了印度科技部、美国国家科学基金会(NSF)和英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)的资助。

库马尔教授说:“我们本质上是为设计师提供了一个工具包,用于构建下一代多功能材料,这些材料既智能又坚固。”

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生成相对密度ρ= 25%的二维拉胀结构的顺序设计和转化过程。图片来自格拉斯哥大学。

设计可感知压力的材料

在本研究中,团队采用几何建模方法,基于Voronoi图案和对称运算设计了复杂的晶格结构。这些结构包括拉胀结构,与传统材料不同,这种结构在拉伸时会横向膨胀。这种行为提高了能量吸收和抗损伤能力。一些设计的泊松比低至-0.63,证实具有强大的拉胀性能。

这些结构采用Apium P220 3D 打印机进行 3D 打印,这是一款适用于 PEEK 等工程级聚合物的高温 FFF 系统。定制线材采用索尔维的KetaSpire PEEK和 Graphistrength C100 碳纳米管 (CNT) 制成,并采用商用导电 PEEK 线材进行基准测试。

屏幕截图 2025-07-17 200325.jpg
△ (a) FFF 增材制造工艺示意图和 (b) 宏观压阻测试示意图。左图展示了一套 FFF 装置,包含一个加热平台和一个以预定模式分配材料的移动打印头。插图展示了用于生成晶格设计的参数化 BSB 结构。右图是用于打印晶格结构拉伸测试的配置,包括应变下的电阻测量。装置通过非导电层确保样品的电隔离,并通过铜层实现最佳的电极接触。

在测试过程中,打印的晶格被拉伸,同时监测电阻。在低应变下,材料表现出平缓且可预测的响应。随着应力的增加和内部损伤的发生,电阻急剧变化。在某些样品中,应变灵敏度达到80%,尤其是在经历非弹性变形的区域,从而可以实现早期故障检测。为了开展实验,研究团队利用有限元分析建立了一个计算模型,可预测电阻在应力作用下的变化,捕捉从弹性变形到失效开始的整个过程。

通过调整晶格几何形状和碳纳米管填料的含量,研究人员实现了对刚度、膨胀度和损伤响应等性能的控制。刚度随结构不同在 9 至 63 MPa 之间,而材料的电导率与纯 PEEK 相比提高了几个数量级。电导率从纯 PEEK 的 2.7 × 10⁻⁸ S/m 上升到含有 6% 纳米管的复合材料的 3 S/m 以上。

批量测试表明,添加纳米管后,刚度提升高达45%,但代价是能量吸收率降低。应变系数(表示应变灵敏度)根据配方不同,范围从6到26。一些定制共混物的性能优于商用长丝。

这种将结构、传感和机械适应性融于一体的3D打印部件,为那些既需要性能又需要可靠性的应用打开了大门。例如,可追踪康复情况的骨科植入物、可检测磨损的航空航天蒙皮,以及在受损时发出警报的防护系统。

材料本身不再嵌入单独的传感器或电子设备,而是兼具结构和监测功能。研究人员表示,这种材料设计、架构和预测模型的整合,或将有助于推动下一代多功能材料在实际应用中的发展。

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△示例性二维晶格几何结构及其参数:(a) S1a 对称 BSB,(b)S1c 对称 BSB,(c) S2c 部分对称 BSB,(d) S3d 非对称 BSB。图片来自格拉斯哥大学。

自感知3D打印部件研究

除了格拉斯哥大学之外,马德里胡安卡洛斯国王大学的研究人员也利用数字光处理 (DLP) 技术,通过用少量碳纳米管 (CNT) 增强商用光聚合物树脂,成功3D 打印出自感应复合部件。这些纳米管在材料内部形成导电网络,使电导率提高了几个数量级。

机械和应变传感测试表明,应变与电阻之间存在清晰的线性关系,由于接近渗透阈值,较低碳纳米管浓度下灵敏度有所提高。研究结果凸显了DLP打印碳纳米管复合材料在关键基础设施中实现精确内置结构健康监测的潜力。

荷兰Brightlands材料中心的研究人员使用Anisoprint Composer A4打印机将连续碳纤维直接集成到热塑性基体中,开发出自感应3D打印复合材料部件。他们的方法可以沿应力关键区域精确放置纤维。

在测试中,一座人行天桥的比例模型显示出施加的载荷与嵌入纤维的电阻变化之间存在明显的相关性,证实了材料的自我监测能力。这种方法简化了制造过程,并有望在假肢、桥梁和航空航天部件等应用中实现结构健康监测。


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