供稿人:楊春成 李滌塵 發(fā)布日期：2018-03-31
自然界中的天然復合材料由于其多相性和不同長度尺度上的結構復雜性，通常具有特殊的機械性能，如高比剛度、高強度和高損傷容限。然而，再現(xiàn)天然復合材料的特殊機械性能和復雜微結構，十分具有挑戰(zhàn)性。不過，近日，哈佛大學團隊Jordan R. Raney等研究人員研發(fā)了一種“旋轉3D打印技術”，可實現(xiàn)對聚合物基質中嵌入的短纖維排列的局部控制，從而創(chuàng)建出對強度、剛度和損傷容限進行優(yōu)化的結構材料。
在這一技術中，噴嘴的旋轉速度獨立于打印速度，關鍵在于精確編排噴嘴的打印速度和旋轉速度，通過控制噴嘴旋轉產(chǎn)生的附加剪切場對聚合物基體中的嵌入式纖維的排列進行編程。不同的旋轉速度和打印速度之比會產(chǎn)生不同的螺旋角的剪切場，從而引導短纖維沿剪切螺旋線排列，如圖1所示。
圖1 旋轉3D打印排列纖維方向原理圖
研究發(fā)現(xiàn)，聚合物基質中短纖維排列角度的變化影響材料的彈性力學性能。分別制備了橫向和縱向兩種拉伸力學性能樣件，如圖2（A），高旋轉速度下打印樣件的力學性能趨于各相同性。噴嘴不旋轉時，纖維沿打印路徑縱向排列，見圖2（B、C）反之，噴嘴高速旋轉時，沉積絲材中纖維螺旋排列，見圖2（D、E）。
圖2 纖維排列方向變化對力學性能的影響及樣件截面的SEM圖像
Jordan R. Raney等人認為，該技術可以精確控制纖維的排布、微結構的復雜性和力學性能以制備工程復合材料。該技術不需要外加電場、磁場等控制纖維排列方向，易于實施，且墨水設計具有模塊化特性，可以推廣應用到其他各向異性的填料和基體組合中，實現(xiàn)打印對象電學、光學或者熱力學性能的編程控制，具有較廣的應用范圍。