格拉斯哥大學新研究：3D打印智能塑料可監(jiān)測自身健康狀況

2025年7月17日，南極熊獲悉，來自格拉斯哥大學的研究人員開發(fā)出了一種 3D 打印智能塑料結構，它可以感知何時被拉伸、壓縮或損壞，并做出相應調整。這些智能晶格由碳納米管 (CNT) 增強的高性能塑料制成，可用于從醫(yī)療植入物到航空航天部件等各種領域。

相關研究以題為“Topology-engineered piezoresistivelattices with programmable strain sensing, auxeticity, and failure modes”的論文發(fā)表在《材料視界》雜志上。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d5mh00884k

論文詳細介紹了團隊如何將聚醚醚酮 (PEEK) 與多壁碳納米管 (CNT) 相結合，創(chuàng)造出一種既結構堅固又具有電響應性的材料。隨著材料變形，電阻會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)實時自我監(jiān)控。

本研究由格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院的Shanmugam Kumar教授領導，馬爾凱理工大學和美國德克薩斯A&M大學也參與其中。研究還得到了印度科技部、美國國家科學基金會（NSF）和英國工程與物理科學研究委員會（EPSRC）的資助。

庫馬爾教授說：“我們本質上是為設計師提供了一個工具包，用于構建下一代多功能材料，這些材料既智能又堅固�！�

△生成相對密度ρ= 25%的二維拉脹結構的順序設計和轉化過程。圖片來自格拉斯哥大學。

設計可感知壓力的材料

在本研究中，團隊采用幾何建模方法，基于Voronoi圖案和對稱運算設計了復雜的晶格結構。這些結構包括拉脹結構，與傳統(tǒng)材料不同，這種結構在拉伸時會橫向膨脹。這種行為提高了能量吸收和抗損傷能力。一些設計的泊松比低至-0.63，證實具有強大的拉脹性能。

這些結構采用Apium P220 3D 打印機進行 3D 打印，這是一款適用于 PEEK 等工程級聚合物的高溫 FFF 系統(tǒng)。定制線材采用索爾維的KetaSpire PEEK和 Graphistrength C100 碳納米管 (CNT) 制成，并采用商用導電 PEEK 線材進行基準測試。

△ (a) FFF 增材制造工藝示意圖和 (b) 宏觀壓阻測試示意圖。左圖展示了一套 FFF 裝置，包含一個加熱平臺和一個以預定模式分配材料的移動打印頭。插圖展示了用于生成晶格設計的參數(shù)化 BSB 結構。右圖是用于打印晶格結構拉伸測試的配置，包括應變下的電阻測量。裝置通過非導電層確保樣品的電隔離，并通過銅層實現(xiàn)最佳的電極接觸。

在測試過程中，打印的晶格被拉伸，同時監(jiān)測電阻。在低應變下，材料表現(xiàn)出平緩且可預測的響應。隨著應力的增加和內部損傷的發(fā)生，電阻急劇變化。在某些樣品中，應變靈敏度達到80%，尤其是在經(jīng)歷非彈性變形的區(qū)域，從而可以實現(xiàn)早期故障檢測。為了開展實驗，研究團隊利用有限元分析建立了一個計算模型，可預測電阻在應力作用下的變化，捕捉從彈性變形到失效開始的整個過程。

通過調整晶格幾何形狀和碳納米管填料的含量，研究人員實現(xiàn)了對剛度、膨脹度和損傷響應等性能的控制。剛度隨結構不同在 9 至 63 MPa 之間，而材料的電導率與純 PEEK 相比提高了幾個數(shù)量級。電導率從純 PEEK 的 2.7 × 10⁻⁸ S/m 上升到含有 6% 納米管的復合材料的 3 S/m 以上。

批量測試表明，添加納米管后，剛度提升高達45%，但代價是能量吸收率降低。應變系數(shù)（表示應變靈敏度）根據(jù)配方不同，范圍從6到26。一些定制共混物的性能優(yōu)于商用長絲。

這種將結構、傳感和機械適應性融于一體的3D打印部件，為那些既需要性能又需要可靠性的應用打開了大門。例如，可追蹤康復情況的骨科植入物、可檢測磨損的航空航天蒙皮，以及在受損時發(fā)出警報的防護系統(tǒng)。

材料本身不再嵌入單獨的傳感器或電子設備，而是兼具結構和監(jiān)測功能。研究人員表示，這種材料設計、架構和預測模型的整合，或將有助于推動下一代多功能材料在實際應用中的發(fā)展。

△示例性二維晶格幾何結構及其參數(shù)：(a) S1a 對稱 BSB，(b)S1c 對稱 BSB，(c) S2c 部分對稱 BSB，(d) S3d 非對稱 BSB。圖片來自格拉斯哥大學。

自感知3D打印部件研究

除了格拉斯哥大學之外，馬德里胡安卡洛斯國王大學的研究人員也利用數(shù)字光處理 (DLP) 技術，通過用少量碳納米管 (CNT) 增強商用光聚合物樹脂，成功3D 打印出自感應復合部件。這些納米管在材料內部形成導電網(wǎng)絡，使電導率提高了幾個數(shù)量級。

機械和應變傳感測試表明，應變與電阻之間存在清晰的線性關系，由于接近滲透閾值，較低碳納米管濃度下靈敏度有所提高。研究結果凸顯了DLP打印碳納米管復合材料在關鍵基礎設施中實現(xiàn)精確內置結構健康監(jiān)測的潛力。

荷蘭Brightlands材料中心的研究人員使用Anisoprint Composer A4打印機將連續(xù)碳纖維直接集成到熱塑性基體中，開發(fā)出自感應3D打印復合材料部件。他們的方法可以沿應力關鍵區(qū)域精確放置纖維。

在測試中，一座人行天橋的比例模型顯示出施加的載荷與嵌入纖維的電阻變化之間存在明顯的相關性，證實了材料的自我監(jiān)測能力。這種方法簡化了制造過程，并有望在假肢、橋梁和航空航天部件等應用中實現(xiàn)結構健康監(jiān)測。