供稿人:徐文梁，魯中良 發(fā)布日期：2018-04-21
近年來(lái)，有許多研究者采用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的微觀結(jié)構(gòu)控制，以調(diào)控材料的相關(guān)性能。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Jochen Mueller等學(xué)者提出了一種采用核殼結(jié)構(gòu)基本單元來(lái)成形輕質(zhì)多孔復(fù)合材料的方法。研究人員采用具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的噴頭來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)核殼單元的同步擠出，并通過3D打印制備多孔復(fù)合材料。該方法采用的核殼結(jié)構(gòu)單元芯部柔韌，中間層（界面層）呈彈性，外殼呈脆性，使得成形出的材料整體兼具優(yōu)異的剛度和韌性。采用的工藝原理如圖1所示。噴嘴流道采用了由外向內(nèi)逐漸縮入并且直徑逐漸減小的形式，在總直徑一定的情況下，通過控制芯部擠出速率可以對(duì)芯部和中間層的直徑準(zhǔn)確控制。
圖1 核殼結(jié)構(gòu)3D打印方法：(A) 打印過程；(B)噴頭擠出過程示意圖；(C) 噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(D)(E)芯部逐漸縮入的噴嘴結(jié)構(gòu)。
通過力學(xué)分析確定了所需核殼結(jié)構(gòu)的材料及結(jié)構(gòu)特征，即外殼采用高剛度的環(huán)氧樹脂，芯部采用柔韌的環(huán)氧樹脂，中間層的加入可改變材料彎曲斷裂時(shí)裂紋的擴(kuò)展路徑，而變形量的控制可以通過調(diào)整核殼單元直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖2 核-殼結(jié)構(gòu)桿及核-中間層-殼結(jié)構(gòu)桿斷裂形式對(duì)比（標(biāo)尺=200 μm）
圖 3 支架：(A) 直寫技術(shù)制備的具有核殼結(jié)構(gòu)桿單元的支架；(B) 支架局部放大圖(C) 支架截面形貌（標(biāo)尺=1 mm）(D) 從右往左依次為脆性樹脂、核-殼結(jié)構(gòu)、核-中間層-殼桿截面放大圖（標(biāo)尺=0.2 mm）; (E) 支架的壓縮過程（標(biāo)尺=8 mm）；(F) 不同結(jié)構(gòu)材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(G) 核-中間層-殼結(jié)構(gòu)桿的斷裂形貌。
在分析了核殼結(jié)構(gòu)桿單元材料及尺寸對(duì)力學(xué)特性的影響后，研究人員制備了一系列的多孔支架結(jié)構(gòu)，采用不同的核殼桿單元實(shí)現(xiàn)了材料整體韌性及脆性的調(diào)控。