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，因為大部分結(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，“我們借這個設(shè)計概念并在一個工程復(fù)合材料中模仿它。”
輕質(zhì)木材是用在風(fēng)力渦輪機的葉片中的，因為它的重量輕，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�！毖芯咳藛T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的表面3D打印出蜂窩復(fù)合材料。”麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和機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，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，我們可以進(jìn)一步優(yōu)化組件的設(shè)計和提高材料的利用率�！泵绹饦鋷X國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的添加制造科學(xué)家Compton補充，“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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