微納3D打印加速復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新步伐

來源：摩方精密

“一代材料，一代裝備；一代材料，一代創(chuàng)新”。復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)，作為戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性的產(chǎn)業(yè)，是各大領(lǐng)域開展創(chuàng)新實(shí)踐的重要前提條件之一。在科技與產(chǎn)業(yè)革命的新浪潮中，復(fù)合材料技術(shù)持續(xù)實(shí)現(xiàn)突破，新型材料和新物質(zhì)結(jié)構(gòu)層出不窮，全球復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)迅猛增長的態(tài)勢。

針對高端裝備在復(fù)雜環(huán)境下的嚴(yán)苛應(yīng)用和質(zhì)量要求，大型化、整體化、功能一體化的復(fù)合材料構(gòu)件研發(fā)需求也在日益上升。因此，采用高精度3D打印技術(shù)，研發(fā)一體化成形的高精密、高性能、高效率構(gòu)件制造技術(shù)與裝備，已成為行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。其中的一種材料作為基體，其它的材料作為增強(qiáng)相，基體通常是連續(xù)的，增強(qiáng)相可以是顆粒、纖維、層板�？梢哉J(rèn)為增強(qiáng)相是鑲嵌在基體里的。這種組合成的材料的性質(zhì)與它的任何一種成分的材料都顯著不同。

復(fù)合材料中各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。

據(jù)Precedence Research的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，2023年全球復(fù)合材料市場規(guī)模估計(jì)為1118.9億美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到約1913.6億美元，從2023年到2032年的年復(fù)合增長率將達(dá)到6.1%。

先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量和良好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，包括高性能高分子復(fù)合材料、高溫耐蝕結(jié)構(gòu)材料、輕質(zhì)高強(qiáng)新材料、結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料、增材制造材料等，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、能源儲存、軌道交通等領(lǐng)域的裝備制造，是工業(yè)發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略必爭資源。

在最新科研進(jìn)程中，互穿相復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步獲得增強(qiáng)的性能并闡明潛在的力學(xué)機(jī)制。來自中國工程物理研究院的研究團(tuán)隊(duì)通過將超彈性PDMS填充到基于粘塑性聚合物的3D打印Schwarz Primitive (P)細(xì)胞骨架中來設(shè)計(jì)和制造三連續(xù)IPCs，其中P細(xì)胞骨架是由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL） 3D打印技術(shù)（nanoArch® P150，精度：25 μm）制備而成。

圖1. 復(fù)合材料制備示意圖

該團(tuán)隊(duì)對IPCs的壓縮性能、循環(huán)性能和弛豫性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著提升了材料壓縮性能，減少了應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化。通過嵌入用戶材料子程序進(jìn)行模擬，分析了P細(xì)胞和IPCs的變形特性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)深化了對IPCs變形機(jī)制的認(rèn)識。研究發(fā)現(xiàn)，PDMS填充提升tc-ipc力學(xué)性能主要通過三個(gè)途徑：一是轉(zhuǎn)移部分外載，二是限制骨架彎曲防屈曲，三是與P細(xì)胞骨架相互作用，在三向應(yīng)力狀態(tài)下增強(qiáng)整體性能，這些成果促進(jìn)了IPCs的發(fā)展與應(yīng)用。

圖2.(a) P細(xì)胞骨架和(b)相應(yīng)的tc - ipc的光學(xué)照片

因此，采用超彈性材料填充粘彈性骨架所制備的TC-IPCs，提升了承載能力，降低了粘彈性響應(yīng)，并減輕了復(fù)合材料的循環(huán)軟化程度。本研究提出了一種設(shè)計(jì)策略，即通過填充超彈性材料至粘彈性開放式蜂窩結(jié)構(gòu)，以獲得增強(qiáng)型復(fù)合材料，為骨架拓?fù)�、填充與骨架材料特性融合提供了新的設(shè)計(jì)路徑。

加速復(fù)合材料技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是塑造新質(zhì)生產(chǎn)力的重要動力和基礎(chǔ)，也是構(gòu)建新優(yōu)勢的關(guān)鍵路徑。打造材料強(qiáng)國，需強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，摩方精密將持續(xù)推動復(fù)合材料創(chuàng)新，賦能新材料研究，整合“產(chǎn)學(xué)研”資源，助力突破高端材料的關(guān)鍵瓶頸。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118516