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美国科学家用4D打印发明新型“超材料”

时间:2018-12-17 来源:前瞻网

摘  要:
在自然界中,蜂窝状材料在机械上是非常高效的,尤其是在各种不同性能耦合方面。例如,自然界中发现的一些随机蜂窝结构,如牙齿、骨骼和鸟喙,相对于它们的密度来说,具有优异的强度和韧性。材料学中一些项目,就是模仿这类结构,例如结构和功能相似的聚合物或金属泡沫。

关键词: 4D打印 

  在自然界中,蜂窝状材料在机械上是非常高效的,尤其是在各种不同性能耦合方面。例如,自然界中发现的一些随机蜂窝结构,如牙齿、骨骼和鸟喙,相对于它们的密度来说,具有优异的强度和韧性。材料学中一些项目,就是模仿这类结构,例如结构和功能相似的聚合物或金属泡沫。

  相较而言,有序的蜂窝结构,包括在自然界自然进化而成的周期结构,往往胜过随机结构。例如,软体动物的防御甲壳珍珠状内层是由坚硬的砖块样结构组成。相应地,螳螂虾进化出了攻击性的大螯钩,用来高速撞击软体动物的外壳,而它的前螯部分由抗断裂的矿化纤维螺旋状堆叠组成。
 
  周期性和层次性结构已经被广泛用于大型建筑中,如桁架桥和埃菲尔铁塔。现在,新型制造和3D打印技术还可以在纳米、微、中、宏观层次上建造蜂窝结构,通常,这些材料都能表现出独特的机械、功能和热性能组合,成为所谓的“超材料”。
 
  超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料,这些材料是自然界没有的,包括轻量却坚硬、高机械弹性、具有负泊松比,以及具有负热膨胀系数的多材料布局。在过去,这些材料和建筑往往在生成后很快固定成型,这限制了他们的用处。
 
  出于制造反应更灵敏、适应性更强材料的需要,“4D打印”成了材料领域一个新的研究热点。相较于3D,多出来的那个“D”代表时间。4D打印就是让材料除了在X、Y、Z轴上辗转腾挪之外,还会因为外部条件的变化,随时间推移而改变形状或功能。由于机械力、温度、膨胀和磁场的作用,4D打印材料可以自我重新配置,从而改变颜色或形状。
 
  遗憾的是,到目前为止,现有的4D打印技术要么缺乏对机械性能的高度精确控制,要么由于传输限制或化学反应本身的缓慢,需要很长的反应时间。为此,来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室、阿贡国家实验室、加州大学的一群材料科学家提出了一种新的4D打印方案——磁场反应机械超材料(FRMM),用来展示可编程、可预测和高度控制的机械性能变化,且具有大动态范围和快速可逆的响应,方便应用远程磁场。
 
  为了获得具有动态可调刚度的FRMM,研究人员将磁流变流体悬浮液(MR)引入三维打印聚合物管的核心,也就是蜂窝单元和晶格的构建模块。MR是由悬浮在非磁性液体中的铁磁性微粒组成的,在磁场的作用下,MR的粘度会迅速变化。在没有磁场的情况下,MR流体则表现为悬浮颗粒随机分布的液体,悬浮颗粒会在平面基底上沉积时自由流动形成池。
 
  当施加磁场时,悬浮颗粒沿磁场线排列成链,形成针状、叶片状结构。当MR流体中的有序颗粒受到磁场作用,流体粘度单调增加,直至饱和。此时,进一步加强磁场,并不会产生额外的流变效应。
 
  在提出理论后,研究团队进行了相当复杂的测试和验算,本文就不一一罗列了。简单说,要制造这种包括支柱、蜂窝单元和晶格的3D结构,要用到一种光化学扫描紫外线添加剂制造技术,名为大投影面积微立体光刻技术(LAPμSL)。通过这种技术,用固化液体树脂形成固化2D层,再将基片放入树脂浴中,扫描堆栈中放入后续图像形成下一层。这个过程将一直进行,直到生成一个3D部件。
 
  实验结果是,研究团队造出了可调FRMM,其具有大动态范围,对远程应用磁场具有快速和可逆的机械响应。同时,通过对单个磁流变杆的制作和测试,他们还开发了一个经验校准的模型,用来预测FRMM网格的磁力学响应,为未来的设计优化工作提供支持。
 
  此外,他们还创造了一种以3D打印技术和可控流体输送方法为基础的新制作流程,未来的FRMM可能由主动寻址的微流体网络组成,其中MR流体组成可以在空间和时间上进行调整,以进一步扩展设计和可访问的属性空间。此外,磁场调整可以增强方向控制,适用于更广泛的变形模式和应用环境。最终,FRMM可能被广泛应用于一系列新兴应用,包括软体机器人、快速适应头盔和具有消振性能的智能可穿戴设备。
关键词:4D打印 
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