3D打印技術制造機械性能和阻燃性能俱佳的仿珍珠母結構

來源：Research

近期，美國圣地亞哥州立大學楊陽，武漢大學王自昱，美國南加州大學陳勇團隊合作，采用3D打印技術，制造了機械性能和阻燃性能俱佳的仿珍珠母結構新型材料。這類材料有望應用于軍事、消防設備、機械、航空航天和電子領域。相關研究以“3D Printing of Nacre-Inspired Structures with Exceptional Mechanical and Flame-Retardant Properties”為題發(fā)表在Research上。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.34133/2022/9840574

研究背景

如今，包括工業(yè)、航空、電子和消防在內的諸多工程領域均需要輕質、堅固且耐熱的零部件。盡管陶瓷材料在耐熱性、硬度和力度等方面均有良好表現(xiàn)，但較為易碎，延展性和抗拉強度也欠佳。高分子聚合物雖具有較高延展性和抗拉強度，但力度、硬度和耐熱性較差。將這兩種材料進行復合后益處頗多，但克服不同材料之間的不可兼容性較為困難。為此，研究人員從某些軟體動物的珍珠母結構中找到了有效復合的靈感。天然的珍珠母具有“磚砂漿”（BM）結構，其中整齊排列的碳酸鈣納米片是“磚塊”，“磚塊”之間填充的絲素蛋白是“砂漿”。

研究進展與展望

盡管已有若干研究使用整齊排列的氮化硼納米片（BNs）作為仿珍珠母BM結構中的“磚塊”，但在冰模板化和層層自組裝情況下，其僅適用于制造薄膜和塊狀物體；在基于電/磁場/擠出式3D打印應用中，填料的負載率低，黏度差。為了克服這些缺點，研究人員研發(fā)了螺旋葉片鑄造輔助3D打印工藝（rbc-3D），以生產(chǎn)具有復雜形狀的仿珍珠母結構。此工藝能夠以較高的BNs負載率打印出機械性能、熱性能和阻燃性能俱佳的結構。

圖1 a) 將真珠質模型切片生成投影圖像模式進行3D打印，通過旋轉鑄片過程中的剪切力對bn進行對齊，選擇性曝光(紫色部分)將固化復合材料；(b) 3D打印真珠質的SEM圖像，顯示了bn的精確對準控制；(c)天然珍珠層與3D打印珍珠層荷載-位移曲線比較；(d) 3D打印真珠質斷裂后的裂紋分支；(e) SEM圖像中的裂紋撓度及COMSOL Multiphysics模擬

在rbc-3D打印工藝中，首先使用單體（三甲氧基甲硅烷基丙基丙烯酸酯）實現(xiàn)BNs表面改性，以增強“磚塊”氮化硼與“砂漿”光固化單體之間的附著力，使其形成重量比為55%的黏性復合物。然后將此復合物置于可旋轉的平臺上。當平臺工作時，扁平狀刀片推壓復合物，產(chǎn)生的切變率促使氮化硼整齊排列，進而形成BM結構。此時的復合物中，BNs均衡分布，光固化樹脂通過紫外線照射固化成所需形狀。

采用該工藝，研究人員能夠制造出具有出色機械性能、熱性能和阻燃性能（機械性能優(yōu)于天然珍珠母）的頭盔和盔甲，還能夠制造形狀復雜的零部件，為將來軍事、消防設備、機械、航空航天和電子領域更廣泛的應用奠定基礎。

作者簡介

楊陽，美國圣地亞哥州立大學機械工程系助理教授，研究方向為增材制造、微納米制造、納米復合材料、可再生能源、自愈材料。