中國科大提出熱固性材料的新型3D打印方法

來源：中國科大

熱固性材料在交聯(lián)后形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。近年來，熱固性材料在軟體機器人和柔性電子等領(lǐng)域扮演著愈發(fā)重要的角色。新型軟體機器人對復(fù)雜結(jié)構(gòu)與功能性提出了更高的需求，面向其開發(fā)一種簡單、普適、廉價的熱固性材料制造方法具有重要的意義。然而，熱固性材料的3D打印仍然存在諸多限制，如固化原理，材料的流變性和成型效率等。

2023年1月28日，南極熊獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院機器人與智能裝備所張世武教授研究團隊李木軍副教授，近代力學(xué)系王柳特任教授與南加州大學(xué)Yong Chen教授合作，提出了一種原位雙重加熱(in situ dual heating, ISDH)策略，成功實現(xiàn)了對具有多種流變性質(zhì)和功能特性的熱固性材料的墨水直寫(Direct ink writing, DIW)打印。成果以"3D printing of thermosets with diverse rheological and functional applicabilities"為題發(fā)表在國際期刊《Nature Communications》。

△原位雙重加熱（ISDH）打印熱固性材料示意圖

該論文提出通過鄰接層快速加熱和焦耳加熱器加熱的雙重加熱方式，使得代表性的熱固性材料Sylgard 184最快可以在2s內(nèi)固化，從而成功實現(xiàn)了未經(jīng)改性的低粘度Sylgard 184的直接3D打印，打印結(jié)構(gòu)與模具鑄造結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能類似。通過采用不同直徑的噴頭（0.025~1mm），該方法的尺寸可擴展性得到了驗證，實現(xiàn)了120mm的最大打印高度和50μm的分辨率。作者展示了一批具有不同性質(zhì)的熱固性材料的ISDH打印，這些材料具有跨越五個數(shù)量級的動態(tài)粘度變化，包括牛頓流體、剪切變稀流體和屈服應(yīng)力流體等。

△ISDH打印低粘度Sylgard 184

該工作還展示了ISDH打印豐富的功能性，包括打印多材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及不同NdFeB含量的磁響應(yīng)柔性結(jié)構(gòu)（如柔性血管支架）等。通過與“pick-and-place”工藝結(jié)合，ISDH打印還可以制造柔性電子設(shè)備。這些結(jié)果表明，ISDH打印在新興的軟體機器人、柔性電子等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

△磁響應(yīng)柔性支架的ISDH打印

△柔性電子器件的ISDH打印

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金，科技部國家重點研發(fā)計劃，安徽省自然科學(xué)基金支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系博士研究生孫宇軒是該論文的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授，王柳特任教授，南加州大學(xué)Yong Chen教授為共同通訊作者。研究工作得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱銀波副教授的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-35929-y