格拉斯哥大學(xué)3D打印自傳感碳納米管材料，有望用于醫(yī)療和航空領(lǐng)域

2022年5月11日，南極熊獲悉，格拉斯哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種可3D打印的碳納米管基塑料材料，能夠自我感應(yīng)到自身結(jié)構(gòu)變化的信號(hào)。

據(jù)報(bào)道，這種新型材料的開發(fā)靈感來自于自然界中發(fā)現(xiàn)的蜂巢、海綿和骨骼等多孔細(xì)胞形態(tài)，它比同類傳統(tǒng)材料更堅(jiān)韌、更牢固、更智能，可以在醫(yī)學(xué)、假肢、汽車和航空航天設(shè)計(jì)中找到新的應(yīng)用，這些領(lǐng)域都需要具有自我感應(yīng)能力的低密度、堅(jiān)韌材料。

格拉斯哥大學(xué)詹姆斯-瓦特工程學(xué)院的ShanmugamKumar博士說："在如何平衡特性和結(jié)構(gòu)以創(chuàng)造高性能輕質(zhì)材料方面，大自然有很多東西可以教給工程師。我們從這些形式中獲得靈感，開發(fā)了我們的新細(xì)胞材料，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的同類材料相比，這些材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行微調(diào)以操縱其物理特性。"

△3D打印的納米工程設(shè)計(jì)。圖片來自格拉斯哥大學(xué)。

3D打印碳納米管

碳納米管于1991年首次被發(fā)現(xiàn)，此后因其理想的機(jī)械性能而聲名鵲起。碳納米管被譽(yù)為“比鋼強(qiáng)一百倍、比鉆石硬、比銅導(dǎo)電一千倍”，在一系列潛在的重要工業(yè)中都具有應(yīng)用潛力，如電子和水凈化過濾器，并可用于開發(fā)具有卓越機(jī)械、熱和導(dǎo)電性能的復(fù)合材料。

迄今為止，碳納米管材料已被用于3D打印形狀記憶聚合物、軟體機(jī)器人，以及3D打印生物相容性組織支架。

盡管有這樣的前景，但利用碳納米管進(jìn)行3D打印仍有一些挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)是打印過程中碳納米管糾纏在一起時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)“意大利面效應(yīng)”，盡管來自萊斯大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型溶劑，可以克服這一障礙，并使碳?xì)浠�合物的工業(yè)3D打印規(guī)模擴(kuò)大。

在其他地方，位于亞利桑那州的初創(chuàng)公司Mechnano認(rèn)為其自己的碳納米管3D打印材料技術(shù)可以為航空航天、國(guó)防、醫(yī)療和汽車行業(yè)帶來 "巨大的變化"。

△相對(duì)密度為30%的3D打印細(xì)胞結(jié)構(gòu)。圖片來自先進(jìn)工程材料。

自傳感材料

將傳感能力整合到材料中對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的原位變形狀態(tài)或損傷狀態(tài)是非常有用的。例如，自感應(yīng)網(wǎng)格可用作智能康復(fù)輔助設(shè)備和軟體機(jī)器人的材料結(jié)構(gòu)，其中感應(yīng)、控制和驅(qū)動(dòng)對(duì)提高機(jī)器人功能的效率至關(guān)重要。

為了開發(fā)出新型材料，格拉斯哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)將一種普通的聚丙烯（PP）工業(yè)塑料與碳納米管結(jié)合起來，創(chuàng)造出一種據(jù)說比同類傳統(tǒng)材料更堅(jiān)韌、更強(qiáng)大、更智能的材料。

將碳納米管整合到原本不導(dǎo)電的塑料中，使其在整個(gè)結(jié)構(gòu)中攜帶電荷，在受到機(jī)械負(fù)荷時(shí)發(fā)生變化。這被稱為壓阻率，并使該材料具有感知自身結(jié)構(gòu)健康的能力。

利用這種新型材料，研究小組調(diào)查了三種不同的3D打印納米工程設(shè)計(jì)的能量吸收和自我感應(yīng)特性，其靈感來自于自然界中發(fā)現(xiàn)的蜂巢、海綿和骨骼等多孔材料。

利用FFF增材制造工藝，研究人員創(chuàng)造了一系列具有中尺度多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)出輕量化和高機(jī)械性能的設(shè)計(jì)。

庫馬爾說："我們選擇的聚丙烯無序共聚物具有更強(qiáng)的可加工性，更好的耐溫性，更好的產(chǎn)品一致性，以及更好的沖擊強(qiáng)度。碳納米管有助于使其具有機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)賦予導(dǎo)電性。我們可以在設(shè)計(jì)中選擇多孔的程度，并設(shè)計(jì)多孔的幾何形狀，以提高特定質(zhì)量的機(jī)械性能。"

△在不同階段的壓縮載荷變化圖。圖片來自先進(jìn)工程材料。

滿足行業(yè)對(duì)自感應(yīng)部件的需求

研究人員共測(cè)試了三種不同形狀的多孔設(shè)計(jì)，并發(fā)現(xiàn)一種立方體形狀的"板狀"結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最有效的機(jī)械性能和自感應(yīng)能力的結(jié)合。

當(dāng)受到單一的壓縮作用時(shí)——既不增加也不減少的持續(xù)壓縮，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)顯示出與相同密度的泡沫鎳相似的能量吸收能力。據(jù)報(bào)道，該結(jié)構(gòu)還優(yōu)于其他幾種類似密度的傳統(tǒng)材料。

在觀察了他們的3D打印設(shè)計(jì)的增強(qiáng)機(jī)械性能后，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為其智能材料可以在醫(yī)學(xué)、假肢、汽車和航空航天設(shè)計(jì)中找到新的應(yīng)用。

研究人員說，隨著這些領(lǐng)域越來越注重輕量級(jí)工程，人們會(huì)有源源不斷的動(dòng)力來開發(fā)具有優(yōu)良質(zhì)量特性的低密度格子。在這些領(lǐng)域中，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這款新材料可以滿足對(duì)具有自我感應(yīng)能力的低密度、堅(jiān)韌材料日益增長(zhǎng)的需求。

△PPR/CNT細(xì)胞結(jié)構(gòu)的能量吸收能力與最先進(jìn)的能量吸收細(xì)胞結(jié)構(gòu)的比較。圖片來自先進(jìn)工程材料。

庫馬爾補(bǔ)充說："像這樣的輕質(zhì)、堅(jiān)韌、自感應(yīng)材料在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的潛力。例如，它們可以幫助制造更輕、更有效的汽車車身，或者為有脊柱側(cè)彎等問題的人提供背架，能夠在他們的身體沒有得到最佳支持時(shí)發(fā)出感應(yīng)信號(hào)。它們甚至可以用來為電池創(chuàng)造新形式的結(jié)構(gòu)化電極�！�

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《先進(jìn)工程材料》雜志上發(fā)表的題為："通過增材制造實(shí)現(xiàn)納米工程自感應(yīng)格子的多功能性/Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabledby additive manufacturing"的論文中找到。該研究的共同作者是J. Ubaid、J. Schneider、V. Deshpande、B. Wardle和S. Kumar。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200194