南洋理工大學(xué)Adv Mater綜述：3D打印各向異性聚合物材料及其功能化應(yīng)用

來(lái)源：高分子科技

自然界中存在許多各向異性結(jié)構(gòu)，例如牙釉質(zhì)中高度礦化取向的膠原纖維、木材中沿生長(zhǎng)方向取向的木質(zhì)纖維等。通過(guò)對(duì)這種各向異性結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)筑，人們可以獲得具有特殊力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及潤(rùn)濕性能的功能材料，這類(lèi)在航天航空、智能傳感和組織工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。3D打印，又稱(chēng)增材制造，因其具有材料組分的可控調(diào)節(jié)以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制造等特點(diǎn)，使其在設(shè)計(jì)及制造各向異性功能材料上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。本論文綜述了近年來(lái)3D打印各向異性聚合物材料及其功能化應(yīng)用的最新研究進(jìn)展，主要包括材料擠出（ME）、立體光固化（VP）、粉末床熔融（PBF）、薄材疊層（SL）等技術(shù)子類(lèi)，并結(jié)合材料類(lèi)型、功能設(shè)計(jì)、潛在應(yīng)用、當(dāng)前挑戰(zhàn)以及未來(lái)展望等方面進(jìn)行論述（圖1）。

圖1. 各向異性聚合物功能材料3D打印技術(shù)、實(shí)施手段和功能化應(yīng)用概述

在評(píng)述各項(xiàng)打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，作者分別歸納總結(jié)出目前三類(lèi)各向異性調(diào)控的實(shí)施手段，包括定向排列、多材料打印以及梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印。定向排列主要指聚合物大分子鏈、具有一定長(zhǎng)徑比的顆粒、短纖維以及連續(xù)纖維等在打印加工過(guò)程中（剪切力、空間受限和逐層沉積）或受外場(chǎng)作用下（電、磁、聲場(chǎng)等）取向。多材料打印可以通過(guò)對(duì)材料組分在空間上的非對(duì)稱(chēng)排布而構(gòu)筑各向異性結(jié)構(gòu)。梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印含有兩類(lèi)，分別是單一材料中的孔隙或交聯(lián)度梯度，以及多材料通過(guò)共混或共聚方式形成的組分梯度。

ME打印技術(shù)包含了熔絲制造法（FFF）和直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）。剪切誘導(dǎo)取向是ME技術(shù)中最常見(jiàn)的各向異性結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。在不增加外場(chǎng)設(shè)備的條件下，原料在料筒中及打印噴頭中被擠出，大分子鏈或具有一定長(zhǎng)徑比的顆粒受到剪切力的作用沿著擠出方向進(jìn)行取向（圖2）。近年，研究人員通過(guò)對(duì)DIW打印噴嘴的改造，例如旋轉(zhuǎn)噴嘴和擠壓式噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)填料顆粒的螺旋方向排列以及沿?cái)D出線材徑向方向取向（圖3）。除此以外，F(xiàn)FF還包含連續(xù)纖維取向以及梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印的調(diào)控方法，而DIW則還可通過(guò)外場(chǎng)誘導(dǎo)取向，多噴頭設(shè)計(jì)的多材料打印，以及梯度結(jié)構(gòu)和梯度材料打印進(jìn)行各向異性的結(jié)構(gòu)調(diào)控。

圖2. FFF技術(shù)中剪切誘導(dǎo)取向方法

圖3. DIW技術(shù)中剪切誘導(dǎo)取向方法

VP打印技術(shù)是利用激光或紫外光對(duì)光敏液體樹(shù)脂進(jìn)行逐層固化，其較低粘度光敏液體樹(shù)脂原料的特征使得填料顆粒更容易移動(dòng)取向。此外，液體池較大的空間可以便于安裝外場(chǎng)施加設(shè)備（圖4），常見(jiàn)的外場(chǎng)包括電、磁、聲、線形震蕩等。近年，多液體池以及多樹(shù)脂交替等設(shè)計(jì)的研究推動(dòng)了該技術(shù)在多材料打印中的發(fā)展，還可以通過(guò)控制紫外光的曝光條件來(lái)獲得不同交聯(lián)程度的梯度材料。

圖4. VP技術(shù)中電場(chǎng)誘導(dǎo)取向方法

PBF打印技術(shù)是通過(guò)激光或紅外燈管對(duì)粉體聚合物材料進(jìn)行逐層燒結(jié)或熔合。該技術(shù)目前在復(fù)合材料各向異性結(jié)構(gòu)上的研究主要表現(xiàn)在鋪粉的過(guò)程中，粉體中的纖維受到刮刀或滾筒的剪切作用而沿鋪粉方向進(jìn)行取向（圖5）。此外，還可以通過(guò)選擇性粉末沉積技術(shù)進(jìn)行多材料打印，從而控制不同材料在空間上的分布。SL打印技術(shù)將聚合物或其復(fù)合材料的薄材進(jìn)行疊加粘合，然后采用激光或刀具裁剪成所需形狀。該技術(shù)可通過(guò)控制含有定向纖維排布的薄材的堆疊方向來(lái)實(shí)現(xiàn)各向異性功能的調(diào)控。

圖5. PBF技術(shù)中剪切誘導(dǎo)取向方法

至今，3D打印各向異性聚合物材料已被廣泛制成多種功能材料如力學(xué)結(jié)構(gòu)材料、智能材料、傳感及顯示器件、人造植入體等，在航天航空、機(jī)械自動(dòng)化、電子與傳感、醫(yī)藥工程、組織工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

該綜述文章以3D-Printed Anisotropic Polymer Materials for Functional Applications為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。該論文第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)博士后研究員陳嘉瑤博士，通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)的周琨教授。周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學(xué)數(shù)字制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和新加坡3D打印中心，長(zhǎng)期從事聚合物及其復(fù)合材料、金屬3D打印的研究，包括材料開(kāi)發(fā)、工藝過(guò)程模擬、功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，主要研究的打印技術(shù)包括SLS，MJF，DIW，SLA，DED，SLM等。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102877