哈佛工程師利用新的材料和3D打印技術(shù)制作輕質(zhì)蜂窩復(fù)合材料

南極熊3D打印網(wǎng)報(bào)道
當(dāng)前在3D打印中使用的塑料材料，主要是熱塑性塑料和UV固化樹脂這兩類，而這兩種類型的材料通常都不被認(rèn)為是工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用的解決方案。但如今，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的材料科學(xué)家與Wyss生物啟發(fā)的工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）聯(lián)手開發(fā)出了一種可3D打印的環(huán)氧基熱固性樹脂材料，這種材料可用于構(gòu)件3D打印輕質(zhì)架構(gòu)。
這些新的3D油墨是在環(huán)氧樹脂中加入了納米粘土片（nanoclay platelets）以增強(qiáng)粘度和一種二甲基甲基膦酸酯（dimethyl methylphosphonate）化合物。另外還向此混合物中添加了兩種填料：金剛砂(silicon carbide)和碳纖維。纖維填充墨水的多功能性和強(qiáng)度的關(guān)鍵是控制填料的沉積方向。
現(xiàn)在，利用這些纖維增強(qiáng)的環(huán)氧熱固性樹脂和3D打印，材料科學(xué)家已經(jīng)研制出蜂窩復(fù)合材料，模仿了輕質(zhì)木材的結(jié)構(gòu)和性能，且擁有前所未有的輕量和剛度。
“輕質(zhì)木材具有蜂窩結(jié)構(gòu)，能最大限度地減少它的重量，因?yàn)榇蟛糠纸Y(jié)構(gòu)都是空的，只有表面承載重量，因此它具有頗高的比剛度和強(qiáng)度�！痹诠鸫髮W(xué)SEAS的Wyss生物啟發(fā)的工程研究所的教授Jennifer A.Leewis說，“我們借這個(gè)設(shè)計(jì)概念并在一個(gè)工程復(fù)合材料中模仿它�！�
輕質(zhì)木材是用在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片中的，因?yàn)樗闹亓枯p，而且剛度相對密度非常適合。但輕質(zhì)木材非常貴，而且它自然的變化會成為所需精確度越來越高的渦輪葉片的一個(gè)障礙。

但新的蜂窩復(fù)合材料“比輕質(zhì)木材更硬，比商業(yè)3D打印聚合物要硬10到20倍，比最佳的打印聚合物復(fù)合材料還要硬2倍。”研究人員在文章《3D打印輕質(zhì)蜂窩復(fù)合材料》中描述他們的研究結(jié)果，這篇文章在期刊《Advanced Materials》中發(fā)布，是和她的小組前成員Lewis和Brett G.Compton共同撰寫的。

“這篇文章表明，這是第一次利用纖維增強(qiáng)的表面3D打印出蜂窩復(fù)合材料�！甭槭±砉W(xué)院材料科學(xué)和機(jī)械工程教授及世界領(lǐng)先的蜂窩復(fù)合材料專家Lorna Gibson說，“特別重要的是纖維可以對齊的方式——通過控制纖維的縱橫比的長度相對直接和噴嘴直徑。這標(biāo)志著我們在模仿木材設(shè)計(jì)工程材料進(jìn)程的中邁出了重要的一步�！�

據(jù)南極熊3D打印網(wǎng)了解，這種材料部件可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)，而且可以用于汽車行業(yè)。汽車行業(yè)需要利用輕質(zhì)材料幫助汽車達(dá)到政府規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)。
Lewis稱，他們下一步將測試熱固性樹脂能否用于各種建筑。
“當(dāng)我們獲得了更高水平的填料對齊控制技術(shù)和學(xué)會了如何更好地整合組件的定位時(shí)，我們可以進(jìn)一步優(yōu)化組件的設(shè)計(jì)和提高材料的利用率�！泵绹饦鋷X國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的添加制造科學(xué)家Compton補(bǔ)充，“最后，我們將能夠使用3D打印技術(shù)去改變纖維填料對齊的程度及工作的局部組成�！边@不僅可能會促進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的研究進(jìn)展，也可能會促進(jìn)導(dǎo)電復(fù)合材料的研究進(jìn)展。

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