微納3D打印加速復合材料技術創(chuàng)新步伐

來源：摩方精密

“一代材料，一代裝備,；一代材料,，一代創(chuàng)新”。復合材料產(chǎn)業(yè),，作為戰(zhàn)略性和基礎性的產(chǎn)業(yè),，是各大領域開展創(chuàng)新實踐的重要前提條件之一。在科技與產(chǎn)業(yè)革命的新浪潮中,，復合材料技術持續(xù)實現(xiàn)突破,，新型材料和新物質結構層出不窮，全球復合材料產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)迅猛增長的態(tài)勢,。

針對高端裝備在復雜環(huán)境下的嚴苛應用和質量要求,，大型化、整體化,、功能一體化的復合材料構件研發(fā)需求也在日益上升,。因此，采用高精度3D打印技術,，研發(fā)一體化成形的高精密,、高性能、高效率構件制造技術與裝備,，已成為行業(yè)發(fā)展的重點方向,。

復合材料，是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料,。其中的一種材料作為基體,，其它的材料作為增強相，基體通常是連續(xù)的,，增強相可以是顆粒,、纖維、層板,�,？梢哉J為增強相是鑲嵌在基體里的。這種組合成的材料的性質與它的任何一種成分的材料都顯著不同,。

復合材料中各種材料在性能上互相取長補短,，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求,。

據(jù)Precedence Research的統(tǒng)計和預測,，2023年全球復合材料市場規(guī)模估計為1118.9億美元，預計到2032年將達到約1913.6億美元,，從2023年到2032年的年復合增長率將達到6.1%,。

先進復合材料具有高比強度、高比模量和良好的可設計性等優(yōu)點,，包括高性能高分子復合材料,、高溫耐蝕結構材料,、輕質高強新材料、結構陶瓷及其復合材料,、增材制造材料等,，廣泛應用于航空航天、汽車制造,、能源儲存,、軌道交通等領域的裝備制造，是工業(yè)發(fā)達國家的戰(zhàn)略必爭資源,。

在最新科研進程中,，互穿相復合材料以其優(yōu)異的力學性能得到了廣泛的應用。為了進一步獲得增強的性能并闡明潛在的力學機制,。來自中國工程物理研究院的研究團隊通過將超彈性PDMS填充到基于粘塑性聚合物的3D打印Schwarz Primitive (P)細胞骨架中來設計和制造三連續(xù)IPCs,，其中P細胞骨架是由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL） 3D打印技術（nanoArch® P150，精度：25 μm）制備而成,。

圖1. 復合材料制備示意圖

該團隊對IPCs的壓縮性能,、循環(huán)性能和弛豫性能進行了實驗研究。結果顯示,，互穿網(wǎng)絡結構顯著提升了材料壓縮性能,，減少了應力松弛和循環(huán)軟化。通過嵌入用戶材料子程序進行模擬,，分析了P細胞和IPCs的變形特性,。結合實驗與模擬數(shù)據(jù)，團隊深化了對IPCs變形機制的認識,。研究發(fā)現(xiàn),，PDMS填充提升tc-ipc力學性能主要通過三個途徑：一是轉移部分外載，二是限制骨架彎曲防屈曲,，三是與P細胞骨架相互作用，在三向應力狀態(tài)下增強整體性能,，這些成果促進了IPCs的發(fā)展與應用,。

圖2.(a) P細胞骨架和(b)相應的tc - ipc的光學照片

因此，采用超彈性材料填充粘彈性骨架所制備的TC-IPCs,，提升了承載能力,，降低了粘彈性響應，并減輕了復合材料的循環(huán)軟化程度,。本研究提出了一種設計策略,，即通過填充超彈性材料至粘彈性開放式蜂窩結構，以獲得增強型復合材料,，為骨架拓撲,、填充與骨架材料特性融合提供了新的設計路徑,。

加速復合材料技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是塑造新質生產(chǎn)力的重要動力和基礎,，也是構建新優(yōu)勢的關鍵路徑,。打造材料強國，需強化基礎研究,，摩方精密將持續(xù)推動復合材料創(chuàng)新,，賦能新材料研究，整合“產(chǎn)學研”資源,，助力突破高端材料的關鍵瓶頸,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118516