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

來源：高分子科學(xué)前沿

由于消防、軍事、工業(yè)和航空航天工程中對(duì)高性能隔熱的需求，輕型和強(qiáng)阻燃結(jié)構(gòu)已被廣泛研究。并且電子設(shè)備的小型化和多功能集成中的熱積累問題，對(duì)電子設(shè)備中的熱控制結(jié)構(gòu)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(jī)械、熱和電性能而成為熱控制/阻燃結(jié)構(gòu)的理想選擇。然而，這兩種材料的耐缺陷性和高強(qiáng)度性能并沒有很好地結(jié)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(jiān)固且耐瑕疵的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過數(shù)百萬年的演變，珍珠層具有出色的強(qiáng)度、剛度和韌性。

鑒于此，美國(guó)圣地亞哥州立大學(xué)助理教授Yang Yang團(tuán)隊(duì)，美國(guó)南加州大學(xué)Yong Chen教授團(tuán)隊(duì)和武漢大學(xué)Ziyu Wang教授團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)出一種受珍珠層啟發(fā)的3D 打印結(jié)構(gòu)，該打印結(jié)構(gòu)具有出色的機(jī)械及阻燃性能。相關(guān)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(xué)助理教授Xiangjia Li, 圣地亞哥州立大學(xué)助理教授Wenwu Xu，南加州大學(xué)助理教授Qiming Wang, 圣地亞哥州立大學(xué)博士生Qingqing He, 南加州大學(xué)博士生Yushun Zeng, Gengxi Lu, 博士后Laiming Jiang,碩士生Siqi Xiao, Shuang Lin等。

文章亮點(diǎn)
1、報(bào)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(fù)載氮化硼（BN）BN 排列構(gòu)建成任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并具有增強(qiáng)的機(jī)械性能、高度各向異性的導(dǎo)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(jī)理。受珍珠層啟發(fā)的 3D 打印結(jié)構(gòu)具有高負(fù)載量的 a-BN（55wt%），該結(jié)構(gòu)顯示出比天然珍珠層更高的斷裂韌性和比強(qiáng)度�；�本機(jī)理研究表明，優(yōu)異的力學(xué)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(jià)鍵合增強(qiáng)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(jié)構(gòu)增強(qiáng)了5.8 倍的各向異性熱導(dǎo)率。
3、分析了機(jī)械和阻燃增強(qiáng)機(jī)制，進(jìn)一步證明了具有分支結(jié)構(gòu)的 3D 打印散熱器對(duì)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(shí)具有阻燃和機(jī)械保護(hù)性能，展示了在軍事、消防設(shè)備、機(jī)械和航空航天工程中的潛在應(yīng)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(duì)齊 BN 以及 BM 結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像。 還介紹了 TMSPMA 接枝 BN 與聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的鍵合； (B) 旋轉(zhuǎn)葉片鑄造輔助 3D 打印技術(shù)的設(shè)置、基于投影的立體光刻工藝中葉片鑄造產(chǎn)生的 BN 的對(duì)準(zhǔn)和對(duì)準(zhǔn)機(jī)制。

圖2. (A) 投影圖像圖案是通過切割珍珠層模型進(jìn)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(duì)齊； 選擇性曝光（紫色部分）將固化復(fù)合材料； (B) 3D 打印珍珠層的 SEM 圖像，展示了對(duì) 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(jìn)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(hù)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(cè)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(cè)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。