新加坡國立大學：新型超聲場輔助DLP 3D打印設計制備超吸能非連續(xù)互穿相復合材料

新加坡國立大學Zhai Wei和Lim Kian Meng課題組向南極熊投來稿件：基于新型超聲場輔助的DLP 3D打印設計制備的超吸能非連續(xù)互穿相復合材料,。

受到木材,、骨小梁,、蝴蝶翅膀和海洋生物骨架等自然界孔隙結(jié)構(gòu)的啟發(fā),，人們設計了高孔隙率（通�,？紫堵蚀笥�70%）的固體結(jié)構(gòu)并稱之為多孔結(jié)構(gòu),。多孔結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì),、高強的特點，并且在破壞過程中能夠保持較高的平臺應力,，兼具優(yōu)異的能量吸收特性,。然而，受到內(nèi)部高度開放的孔隙影響,，結(jié)構(gòu)之間在破壞時缺乏相互保護,。為了充分利用多孔結(jié)構(gòu)應力平臺區(qū)的變形模式，可以將多孔結(jié)構(gòu)作為復合材料中的增強相,，制備互穿相復合材料（interpenetrating-phase composite,，IPC）。然而,，在設計IPC材料時,，若采用樹脂與樹脂復合形式將導致材料強度不佳，而采用樹脂與金屬/陶瓷復合的形式又會增加材料的密度,。因此,，上述兩種設計方法均難以獲得理想的輕質(zhì)材料。

為了獲得高性能的復合材料，不僅需要在材料設計方面進行創(chuàng)新,，還需要對制備方法進行改進,。基于物理場輔助定向自組裝樹脂3D打印技術是新一代復合材料的前沿制造技術,，能夠?qū)�復合材料中填充的微結(jié)構(gòu)進行精確控制,。目前，可以通過電場,、磁場,、剪切場和超聲場輔助的形式實現(xiàn)填充物的定向自組裝。其中,，超聲場利用駐波促使填充物運動,，適用于多數(shù)填充材料。

近日,，基于超聲場輔助的3D打印技術,，研究人員提出了一種非連續(xù)互穿相復合材料，” discontinuous” IPC,，簡稱為d-IPC材料,。與傳統(tǒng)IPC不同，d-IPC的中增強體組元由非連續(xù)的顆粒組成,。為了制備d-IPC材料,，研究人員首先對DLP 3D打印機進行了改裝，添加了超聲場輔助定向自組裝裝置（圖1）,。
△Fig. 1: A schematic of the ultrasonic-DLP printing process and deriving the d-IPC.


接著研究人員對d-IPC材料進行了打�,。▓D2A）和實驗測試。實驗結(jié)果表明,，與純樹脂材料相比,，含有1 wt%陶瓷顆粒的d-IPC材料經(jīng)過優(yōu)化后比能量吸收提高了37 J/g。此外,，雖然d-IPC材料內(nèi)部陶瓷顆�,；ゲ幌噙B,，但得益于宏觀有序的組裝方式,，材料強度高達68MPa。與陶瓷顆粒含量相同但顆粒隨機排列的復合材料及輕質(zhì)高強點陣結(jié)構(gòu)相比,，d-IPC材料具有明顯的優(yōu)勢（圖2B）,。

△Fig. 2: Illustration of the (A) as-printed d-IPC samples and (B) benchmarking materials used for comparisons.

通過對d-IPC材料的增強機理進行研究，發(fā)現(xiàn)增強主要來自于有序組裝但非連續(xù)的陶瓷顆粒增強相,，該增強相不會導致材料強度的顯著降低,，但能夠通過誘導局部漸近失效來對材料的大變形進行調(diào)控。由于打印材料的開放性，超聲場輔助DLP 3D打印技術可推廣到含有不同材料,、尺寸和形態(tài)的填充物與樹脂基體復合的材料制備中（圖3A,、B），進一步發(fā)揮d-IPC材料的多功能應用潛力（圖3C）,。
△Fig. 3: (A,B) Extended studies for a diverse range of particles and demonstrations of (C) multifunctionalities for enhanced thermal conductivity, magnetism, and microwave absorption.

總而言之,，該項研究展示了使用超聲場輔助的DLP 3D打印技術開發(fā)新型復合材料的潛力，使得材料具有優(yōu)異的能量吸收特性與獨特的變形模式,。該研究也為未來復合材料吸能器設計提供了新思路,。相關研究成果發(fā)表于Applied Materials Today期刊，Li Xinwei博士為論文第一作者,，Lim Kian Meng副教授和Zhai Wei助理教授為論文通訊作者,。

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101388