3D打印混合塑料-碳納米管混合材料晶格可應(yīng)用于更輕、更耐撞擊以及更清潔的汽車制造

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

據(jù)悉，研究人員發(fā)現(xiàn)通過將常用的塑料與碳納米管結(jié)合在一起制成的一種新型3D打印材料比基于鋁的結(jié)構(gòu)更結(jié)實，重量更輕。相關(guān)研究成果發(fā)表在Materials & Design上，論文名為“Impact behaviour of nanoengineered, 3-D printed plate-lattices”。

在航空航天，海洋，汽車，生物醫(yī)學(xué)和民用領(lǐng)域，采用以不同長度范圍（例如納米、微米、微觀、中觀和宏觀結(jié)構(gòu)的晶格）加工的建筑材料的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。這些材料采用獨特的建筑結(jié)構(gòu)來控制和操縱機(jī)械應(yīng)力、聲音、光等，以及探索以前無法訪問的機(jī)械、聲學(xué)、光子和其他屬性空間。被稱為超材料的納米和微結(jié)構(gòu)材料代表了新興的一類具有合理配置的結(jié)構(gòu)層次的細(xì)胞材料。在這種材料中，在每一層上，宏觀特性和相對密度是分離的。中觀（尺寸范圍從微米到毫米）或宏觀結(jié)構(gòu)的晶格因其卓越的能量吸收特性而被廣泛用作幾種高性能工程應(yīng)用中的碰撞能量吸收器。根據(jù)服務(wù)要求，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和材料組成的自然晶格和人工設(shè)計晶格可以被利用。通過空間定制的幾何構(gòu)型（例如，功能梯度的細(xì)胞壁、波紋和空間調(diào)整的半頂角），基礎(chǔ)材料的選擇（例如，聚合物，金屬和復(fù)合材料）以及不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如六邊形，圓形，三角形和正方形），各種嘗試被用來改善建筑結(jié)構(gòu)的能量吸收特性。晶格結(jié)構(gòu)如蜂窩以及其他晶格結(jié)構(gòu)已被廣泛研究和評估，以用于各種材料成分和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

常規(guī)材料合成和制造技術(shù)很難實現(xiàn)量身定制的材料配方和各種規(guī)模的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)配置的組合。諸如增材制造之類的先進(jìn)制造方法已經(jīng)能夠以不同的長度尺度（即，從納米尺度到宏觀尺度）制造晶格結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了它們的機(jī)械性能。通過利用新興的3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，可以制造出具有有序、均勻且可重復(fù)的微觀結(jié)構(gòu)的晶格結(jié)構(gòu)，并且可以調(diào)整和優(yōu)化其晶胞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)特定應(yīng)用的首選機(jī)械特性。

來自英國格拉斯哥大學(xué)、阿拉伯聯(lián)合酋長國哈利法科學(xué)技術(shù)大學(xué)和美國德克薩斯A&M大學(xué)的研究人員通過納米工程化的燈絲開發(fā)和熔融燈絲制造，將多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) 納入3D板狀晶格中，以增強(qiáng)能量吸收特性并拓寬聚丙烯 (polypropylene, PP) 和高密度聚乙烯 (high-density polyethylene, HDPE) 復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。那研究人員開發(fā)的塑料-納米管復(fù)合材料制造的新型板格設(shè)計是否可以晶體結(jié)構(gòu)超材料具有更高的剛度、強(qiáng)度和韌性呢？

研究人員使用熔融長絲制造 (fused filament fabrication , FFF) 3D打印技術(shù)制造板狀晶格，使用在尺寸為該技術(shù)215 mm×215 mm的加熱模板上配備0.4 mm噴嘴的Flash Forge Creator Pro Dual Extrusion 3D打印機(jī)。3D板狀晶格的能量吸收特性受其結(jié)構(gòu)的很大影響。在這項工作中，研究了六種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括三種基本結(jié)構(gòu)，例如簡單立方 (simple cubic, SC) ，體心立方 (body-centered cubic, BCC) 和面心立方 (face-centered cubic, FCC) ，以及三種混合結(jié)構(gòu)，即SC-BCC，SC-FCC和 對SC-BCC-FCC。

▲圖1. 各種基本和混合板狀結(jié)構(gòu)的晶胞設(shè)計，晶胞設(shè)計參數(shù)，CAD模型和印刷樣品。所有板狀晶格均具有相同的相對密度= 36％。

接著，研究人員使用CEAST 9350落錘式?jīng)_擊塔對這些板狀晶格樣本進(jìn)行了動態(tài)低速沖擊測試。實驗中使用的沖擊器是一個直徑為60毫米，質(zhì)量為16.7千克的扁平鋼制圓柱體。將晶格試樣放置在剛性底座上，以檢查沖擊載荷下承受物理沖擊的能力。下表顯示了研究中選擇的撞擊高度，以及相應(yīng)的撞擊速度和能量。

▲表1. 撞擊高度、速度和相應(yīng)撞擊能量的總結(jié)

SC標(biāo)本是唯一在36.5 J的沖擊能量下完全破碎的晶格，沒有任何能量回收，而所有其他板狀晶格包括一些彎曲為主的都顯示出輕微的殘余彈性響應(yīng)。

▲圖2. 顯示沖擊破壞的晶格截面的μCT圖像：（a）SC，（b）BCC，（c）FCC，（d）SC-BCC，（e）SC-FCC和（f）SC-BCC-FCC 標(biāo)本。

然后，研究人員測試了另外三個“混合”板狀晶格，他們結(jié)合了第一個實驗中較簡單的設(shè)計中的功能-一個簡單的立方體/復(fù)雜立方體混合體，一個簡單的立方體/多面體混合體以及一個將所有三個混合在一起的結(jié)構(gòu)。再次，制成由聚丙烯和聚乙烯制成的批料。

混合設(shè)計融合了所有三種典型板格設(shè)計的元素，被證明在吸收沖擊方面最有效，而聚丙烯版本顯示出最大的抗沖擊性。研究人員使用一種稱為“比能量吸收”的方法來確定材料相對于其質(zhì)量的能量吸收能力，研究小組發(fā)現(xiàn)，聚丙烯混合板狀晶格可以承受每克19.9焦耳的能量，這比基于鋁的類似設(shè)計的微晶結(jié)構(gòu)性能更好。

在這項研究中，研究了使用開發(fā)的碳納米結(jié)構(gòu)長絲原料通過FFF增材制造加工的PPR / MWCNT和HDPE / MWCNT板狀晶格的低速沖擊行為 測試了三種不同重量比的MWCNT的三種典型的基本（SC、BCC和FCC）以及三種混合的（SC-BCC，SC-FCC和SC-BCC-FCC）納米混合板狀晶格，并研究了其動態(tài)破碎和能量吸收特性 評估了在不同沖擊能級下的中構(gòu)筑復(fù)合晶格。

格拉斯哥大學(xué)的S. Kumar博士表示，這項研究恰好位于機(jī)械和材料的交匯處。作為3D打印的原料開發(fā)的碳納米結(jié)構(gòu)長絲與混合復(fù)合板狀晶格設(shè)計之間的平衡創(chuàng)造了非常令人興奮的結(jié)果，在追求輕質(zhì)工程的過程中，人們一直在尋找具有高性能的超輕質(zhì)材料，該納米混合板狀晶晶格具有非凡的剛度和強(qiáng)度特性，并顯示出優(yōu)于用氧化鋁構(gòu)建的類似格的能量吸收特性。

3D打印技術(shù)的進(jìn)步使制造具有定制的孔隙度的復(fù)雜幾何形狀比以往更容易、更便宜、而這些孔隙率正是我們的板晶格設(shè)計的基礎(chǔ)。在工業(yè)中制造這種設(shè)計可以成為現(xiàn)實。這種新型板狀晶體的一種可能應(yīng)用是在汽車制造中，在這一領(lǐng)域中，設(shè)計師們一直在努力制造更輕質(zhì)的車身，而不會犧牲碰撞時的安全性。目前鋁在許多現(xiàn)代汽車設(shè)計中使用，但該板狀晶格結(jié)構(gòu)提供了更大的抗沖擊性，這可能使它在未來的應(yīng)用中非常有用。同時，在邁向清潔制造時，這些板狀格子中使用的塑料的可回收性也使它們具有吸引力。因為循環(huán)經(jīng)濟(jì)模型將是使地球更可持續(xù)發(fā)展的核心。

本文來源：J. Jefferson Andrew et al. Impact behavior of nanoengineered, 3D printed plate-lattices, Materials & Design(2021). DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109516