華盛頓州立大學(xué)：3D打印磁性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，有望用于軟體機(jī)器人

2022年2月18日，南極熊獲悉，來自美國華盛頓州立大學(xué)的研究人員研制出含均勻分散磁性顆粒的光固化樹脂，并通過數(shù)字光處理技術(shù)制備出磁性纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料。

具有選擇性纖維取向的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（FRPCs）可用于生物結(jié)構(gòu)、智能材料和能源設(shè)備等領(lǐng)域，磁場輔助大桶光聚合是制備這類復(fù)合材料的理想方法，但現(xiàn)有3D打印用樹脂中磁性顆粒的分散穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致打印過程中磁性顆粒分布不均勻。

磁場輔助大桶光聚合的一個(gè)主要問題是顆粒在樹脂體系中的分散不穩(wěn)定，這導(dǎo)致了樹脂成分和分散顆粒之間的分離，并導(dǎo)致打印過程中顆粒分布不均勻。

在這項(xiàng)研究中，研究人員分別采用剛性甲基丙烯酸酯類聚合物和彈性丙烯酸酯類聚合物作為基體；以磁鐵礦顆粒為磁性顆粒，選用兩種不同偶聯(lián)劑對磁性顆粒進(jìn)行表面改性，使其含有能與聚合物基體建立弱范德華鍵的官能團(tuán)，以提高顆粒在樹脂中的分散穩(wěn)定性；將硅烷化反應(yīng)下的表面改性的磁鐵礦顆粒通過超聲分別添加到兩種樹脂中，形成兩種磁性顆粒-樹脂混合物，通過數(shù)字光處理技術(shù)制備出磁性纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料。

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析被用來選擇匹配的硅烷化合物組成，并驗(yàn)證每種樹脂混合物中處理過的磁鐵礦顆粒的功能。通過對樹脂混合物的視覺觀察和顯微鏡圖像的分析，驗(yàn)證了所開發(fā)的樹脂系統(tǒng)的分散穩(wěn)定性。為了給所開發(fā)的樹脂系統(tǒng)的3D打印提供一個(gè)更好的指導(dǎo)，研究了含有不同顆粒成分的每個(gè)樹脂系統(tǒng)的固化深度。設(shè)計(jì)了拉伸試驗(yàn)，以了解顆粒含量、取向和表面處理對3D打印FRPCs的機(jī)械性能的影響。

這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，通過對磁鐵礦顆粒進(jìn)行表面處理，可以開發(fā)出一種優(yōu)化的顆粒-樹脂體系，并帶有功能團(tuán)。具體而言，隨著磁性顆粒含量增加（0.2~4%wt.），復(fù)合材料的楊氏模量逐漸增加；打印過程中使用磁場會(huì)在沿磁場方向形成短顆粒鏈，從而改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。

據(jù)了解，這種磁性纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有望用于軟體機(jī)器人、永磁體、電動(dòng)機(jī)等。

圖1.本研究中涉及的流程圖

圖2. (a)表面處理過的顆粒和(b)重新處理過的顆粒的制備過程。

圖3. (a)研究顆粒樹脂系統(tǒng)固化動(dòng)力學(xué)的流程圖，(b)CAD模型和(c)3D打印的4號樣品案例，研究100μm層高的臨界曝光時(shí)間。

圖4. (a)定制的打印機(jī)設(shè)置，(b)添加到定制的3D打印機(jī)中的亥姆霍茲線圈的示意圖，用于在樹脂桶中產(chǎn)生均勻的磁場，用于增材制造拉伸測試樣品，(c)本研究中使用的厚度為2毫米的拉伸測試樣品的幾何形狀。圖中的坐標(biāo)系代表了拉伸試驗(yàn)中的粒子方向。

圖5. (a) 甲基丙烯酸酯硅烷處理的磁鐵礦顆粒的FTIR分析 (b) 丙烯酸酯硅烷處理的FTIR分析

圖6. 經(jīng)處理的顆粒樹脂系統(tǒng)的固化深度，當(dāng)暴露在10秒的紫外線下時(shí)，（a）彈性樹脂和（b）UHR樹脂。實(shí)驗(yàn)和理論上的臨界曝光時(shí)間之間的比較，以(c)彈性樹脂和(d)UHR樹脂作為聚基體的處理過的粒子-樹脂系統(tǒng)達(dá)到100微米的固化深度。

圖7  沉淀和時(shí)間序列固化試驗(yàn)的結(jié)果。(a) 在一段時(shí)間內(nèi)觀察由處理過的顆粒和未處理過的顆粒組成的樹脂系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)含有處理過的顆粒的樹脂中顆粒沉淀較少。(b)和(c)光學(xué)顯微鏡圖片來自厚度為0.3毫米的樣品，通過固化沉淀樣品的頂部部分獲得。較深的圖片顯示了沿著樣品的顆粒含量較多。(d)和(e)通過固化沉淀樣品獲得的0.3毫米厚度樣品的平均灰度值的顯微鏡圖像。較高的灰度值對應(yīng)于較淺的顏色和較低的顆粒含量。(f) 通過使用(e)中的灰度值和我們以前工作中介紹的模型[41]，估計(jì)UHR樣品中顆粒的重量分?jǐn)?shù)。

圖8  拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。(a)和(b)彈性和UHR樹脂系統(tǒng)的楊氏模量，以及(c)和(d)彈性和UHR樹脂系統(tǒng)的斷裂伸長率。

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "Particle-resin systems for additive manufacturing of rigid and elastic magnetic polymeric composites"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042100734X