供稿人：齊晨云、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-09-01
多孔有機(jī)硅泡沫的各種性能主要取決于孔的形狀、尺寸和分布，可以將低密度與優(yōu)秀的機(jī)械、熱、生物醫(yī)學(xué)、電氣等性能結(jié)合在一起。然而，傳統(tǒng)的制備工藝難以兼顧復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，迫切需要一種新的多孔泡沫制造方法，旨在獲得具有優(yōu)異性能和定制幾何結(jié)構(gòu)的多孔泡沫。4D打印是指利用時(shí)間驅(qū)動(dòng)預(yù)成型材料的變化，可以通過編程預(yù)應(yīng)變、熱、磁及4D打印過程中觸發(fā)驅(qū)動(dòng)等刺激實(shí)現(xiàn)材料的變形控制，通過4D打印路線開發(fā)具有受控元機(jī)械性能的彎曲多孔有機(jī)硅結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最佳性能具有重要意義。
中國工程物理研究院化學(xué)材料研究所Zhang[1]等利用4D打印技術(shù)，如圖1所示，通過將熱膨脹微球嵌入到硅橡膠墨水中，利用熱刺激觸發(fā)微球的膨脹和硅橡膠的發(fā)泡，打印出具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的硅橡膠材料，實(shí)現(xiàn)了由應(yīng)變不匹配導(dǎo)致的變形，以及由于壓縮下堆疊細(xì)絲的突然屈曲而產(chǎn)生的負(fù)剛度效應(yīng)，從而證明了能量吸收特性和潛力。
圖1 DIW 3D 打印示意圖
（a）雙層長絲打印結(jié)構(gòu)的形狀變形，（b）壓縮下堆疊雙層長絲的典型結(jié)構(gòu)的負(fù)剛度效應(yīng)
該團(tuán)隊(duì)利用4D打印技術(shù)制造具有負(fù)剛度效應(yīng)的多孔硅橡膠材料，以增強(qiáng)其能量吸收和沖擊保護(hù)性能。首先制備了含有熱膨脹微球的復(fù)合硅橡膠墨水，并通過熱刺激使微球膨脹，從而實(shí)現(xiàn)硅橡膠基質(zhì)的同時(shí)發(fā)泡，如圖2（a）所示，接下來，利用3D打印技術(shù)將墨水打印成所需形狀的結(jié)構(gòu)。打印后，通過預(yù)固化和進(jìn)一步固化和發(fā)泡的過程，獲得了打印的硅橡膠材料，如圖2（b）所示。 最后，通過實(shí)驗(yàn)測試和性能表征，評估了材料不同結(jié)構(gòu)的能量吸收圖3（a）和沖擊保護(hù)性能圖3（b）。
圖2 （a）發(fā)泡過程 （b）由雙層細(xì)絲組成的打印結(jié)構(gòu)的變形
圖3 （a）具有堆疊雙層細(xì)絲結(jié)構(gòu)的4D打印多孔有機(jī)硅的變形和能量吸收特性；（b）4D 打印多孔有機(jī)硅的沖擊防護(hù)性能測試實(shí)驗(yàn)
該研究解決了以下問題： 1. 利用4D打印技術(shù)制造了具有負(fù)剛度效應(yīng)的多孔硅橡膠材料，通過調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的熱膨脹比例，實(shí)現(xiàn)了材料的形變和負(fù)剛度效應(yīng)，從而提高了能量吸收和沖擊保護(hù)性能。 2. 通過控制墨水的成分和打印參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了硅橡膠材料的定制化形狀，適應(yīng)了不同應(yīng)用場景中的形狀適應(yīng)性需求。 3. 通過實(shí)驗(yàn)測試和表征方法，對材料的能量吸收和沖擊保護(hù)性能進(jìn)行了評估，驗(yàn)證了所制備材料的優(yōu)越性能。
該研究成功解決了制造具有負(fù)剛度效應(yīng)的多孔硅橡膠材料的技術(shù)難題，并為增強(qiáng)能量吸收和沖擊保護(hù)性能提供了一種新的解決方案。未來可以進(jìn)一步研究4D打印多孔有機(jī)硅在更廣泛應(yīng)用場景下的性能優(yōu)化，如在可穿戴設(shè)備中的形狀適應(yīng)性和能量吸收能力的提升。此外，通過改進(jìn)打印材料和工藝，有望實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)和更高性能。