《Research》： 受貝殼珍珠層啟發(fā)的3D 打印結構，具有出色機械及阻燃性能

來源：高分子科學前沿

由于消防、軍事、工業(yè)和航空航天工程中對高性能隔熱的需求，輕型和強阻燃結構已被廣泛研究。并且電子設備的小型化和多功能集成中的熱積累問題，對電子設備中的熱控制結構的需求也越來越大。陶瓷和聚合物因其良好的可加工性和出色的機械、熱和電性能而成為熱控制/阻燃結構的理想選擇。然而，這兩種材料的耐缺陷性和高強度性能并沒有很好地結合起來。自然界中有一種方法可以通過在珍珠層中將陶瓷片與生物聚合物夾層組裝在一起來產(chǎn)生堅固且耐瑕疵的結構。經(jīng)過數(shù)百萬年的演變，珍珠層具有出色的強度、剛度和韌性。

鑒于此，美國圣地亞哥州立大學助理教授Yang Yang團隊，美國南加州大學Yong Chen教授團隊和武漢大學Ziyu Wang教授團隊合作研發(fā)出一種受珍珠層啟發(fā)的3D 打印結構，該打印結構具有出色的機械及阻燃性能。相關研究在Science合作期刊《Research》(a Science Partner Journal)雜志上發(fā)表了題為“3D Printing of Nacre inspired Structures with Exceptional Mechanical and Flame-retardant Properties”的文章。參與者有亞利桑那州立大學助理教授Xiangjia Li, 圣地亞哥州立大學助理教授Wenwu Xu，南加州大學助理教授Qiming Wang, 圣地亞哥州立大學博士生Qingqing He, 南加州大學博士生Yushun Zeng, Gengxi Lu, 博士后Laiming Jiang,碩士生Siqi Xiao, Shuang Lin等。

文章亮點
1、報告了一種旋轉(zhuǎn)葉片鑄造輔助 3D 打印工藝（rotation-blade casting-assisted 3D printing process），以將受珍珠層啟發(fā)的高負載氮化硼（BN）BN 排列構建成任意復雜結構，并具有增強的機械性能、高度各向異性的導熱性和出色的阻燃性。
2、研究了氮化硼（BN）在高粘度漿料中的取向機理。受珍珠層啟發(fā)的 3D 打印結構具有高負載量的 a-BN（55wt%），該結構顯示出比天然珍珠層更高的斷裂韌性和比強度�；�本機理研究表明，優(yōu)異的力學性能歸因于裂紋偏轉(zhuǎn)、a-BNs 橋接以及 TMSPMA 與聚合物基體之間的共價鍵合增強了氮化硼拉出過程中的大剪切力。與純的光固化樹脂相比，該結構增強了5.8 倍的各向異性熱導率。
3、分析了機械和阻燃增強機制，進一步證明了具有分支結構的 3D 打印散熱器對大功率發(fā)光二極管 (LED) 顯示出有效的熱控制和散熱。
4、3D 打印的頭盔和盔甲被證明同時具有阻燃和機械保護性能，展示了在軍事、消防設備、機械和航空航天工程中的潛在應用。

圖1. (A) 示意圖顯示了樂高消防員上的 3D 打印阻燃裝甲，該裝甲具有受珍珠層啟發(fā)的對齊 BN 以及 BM 結構的 SEM 圖像。 還介紹了 TMSPMA 接枝 BN 與聚合物網(wǎng)絡之間的鍵合； (B) 旋轉(zhuǎn)葉片鑄造輔助 3D 打印技術的設置、基于投影的立體光刻工藝中葉片鑄造產(chǎn)生的 BN 的對準和對準機制。

圖2. (A) 投影圖像圖案是通過切割珍珠層模型進行 3D 打印生成的，并且 BN 在旋轉(zhuǎn)葉片鑄造過程中通過剪切力對齊； 選擇性曝光（紫色部分）將固化復合材料； (B) 3D 打印珍珠層的 SEM 圖像，展示了對 BN 排列的精確控制； (C) 天然珍珠層與 3D 打印珍珠層的載荷-位移曲線比較； (D) 斷裂后 3D 打印珍珠層中的裂紋分支； (E) SEM 圖像中的裂紋偏轉(zhuǎn)和使用 Comsol Multiphysics 進行的模擬。

圖3. (A) 3D 打印帶有珍珠層啟發(fā)的 a-BN 的消防員防護頭盔； (B, C, D) 純光固化樹脂、r-BN 和 a-BN 的 3D 打印頭盔的阻燃測試、熱流演示和裂紋的 SEM 圖像； (E) 3D打印頭盔受壓的載荷-位移曲線； (F) 純 SI、r-BN 和 a-BN 的裝甲燃燒后的 3D 打印裝甲和 SEM 圖像的阻燃測試； (G) 打印盔甲和樂高消防員身體之間的熱電偶的溫度變化，用于帶有純 SI、SI/r-BN 和 SI/a-BN 的 3d 打印裝甲背面。