通過數(shù)字光處理3D打印的犧牲模具實(shí)現(xiàn)智能材料制造

供稿人：戚書豪 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


近年來，人們對(duì)于材料的認(rèn)識(shí)逐漸從僅能承受載荷的結(jié)構(gòu)，發(fā)展成可以發(fā)揮特定作用的功能材料，隨著工作情況要求的提高，能夠根據(jù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同功能的智能材料因此逐漸成為科研人員和社會(huì)所關(guān)注的話題，而基于數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）的3D打印智能結(jié)構(gòu)為智能器件生產(chǎn)提供了新的解決方案，通過將單層光敏樹脂材料固化并累積起來的方式可以制造更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料，但材料的類別局限于光敏樹脂；納米顆粒可以賦予材料功能，但是具有高紫外線吸收率的納米顆粒與數(shù)字光處理技術(shù)3D打印不兼容，不能作為打印材料。

為了結(jié)合數(shù)字光處理工藝與納米顆粒材料的特性，科研人員采用了一種3D打印犧牲模具的方法，所謂犧牲模具方法，簡(jiǎn)單地說就是先使用光敏樹脂材料3D打印出模具，再將我們所需要的材料澆注在模具中，最后采用物理的或化學(xué)的方法去除打印的模具，得到內(nèi)部零件的方法。研究人員首先以具有可水解的縮醛基團(tuán)雙官能丙烯酸酯單體TBMMA與交聯(lián)劑4-丙烯酰嗎啉（ACMO）混合，通過DLP打印構(gòu)建犧牲熱固性模具，然后制備出具有動(dòng)態(tài)二硫鍵的環(huán)氧樹脂/碳納米管復(fù)合材料（EPSS / CNTs），將復(fù)合材料倒入模具中并加熱，此時(shí)復(fù)合材料固化，而模具由于熱固性不會(huì)熔化；隨后將結(jié)構(gòu)浸泡在乙酸溶液中，模具逐漸水解，得到內(nèi)部的復(fù)合材料模型。

圖1 使用犧牲模具澆注成型的過程

碳納米管的加入使得最終得到的復(fù)合材料具有形狀記憶的特性，通過近紅外光（NIR）的照射能夠使結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀。如圖2所示，通過加熱的方式使爪子展開，再通過近紅外光分別照射五個(gè)分支，5個(gè)分支依次關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)爪子抓取的任務(wù)。

圖2 獲得材料的形狀記憶特性

二硫鍵的加入使得材料具有自愈合的特性，如圖3所示，在劃痕上，二硫鍵被破壞并以另一種方式交換為鏈接。在碳納米管的幫助下，EPSS/碳納米管通過光熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了近紅外光照射下的局部加熱，當(dāng)該區(qū)域加熱到160°C時(shí)，二硫鍵可以迅速進(jìn)行可逆交換以釋放應(yīng)力，重新形成二硫鍵，從而實(shí)現(xiàn)劃痕的自愈。

圖3 獲得材料的自愈合特性

通過犧牲模具方法制造的環(huán)氧樹脂/碳納米管復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了形狀記憶功能和自愈合特性，為3D打印制造智能材料提供了新思路，豐富了材料選擇，這將大大擴(kuò)展3D打印智能結(jié)構(gòu)在尖端領(lǐng)域的應(yīng)用。未來有望通過不同的材料組合實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，使得材料變得越來越“智能”。
參考文獻(xiàn)：

    J.-T。 Miao, M. Ge, Y. Wu, S. Peng, L. Zheng, TY Chou, L. Wu, 3D 打印犧牲熱固性模具用于構(gòu)建近紅外輻射誘導(dǎo)自修復(fù) 3D 智能結(jié)構(gòu), 化學(xué)工程雜志 427 ( 2022) 131580。