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(fù)合材料由于其多相性和不同長(zhǎng)度尺度上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，通常具有特殊的機(jī)械性能，如高比剛度、高強(qiáng)度和高損傷容限。然而，再現(xiàn)天然復(fù)合材料的特殊機(jī)械性能和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，十分具有挑戰(zhàn)性。不過(guò)，近日，哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)Jordan R. Raney等研究人員研發(fā)了一種“旋轉(zhuǎn)3D打印技術(shù)”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物基質(zhì)中嵌入的短纖維排列的局部控制，從而創(chuàng)建出對(duì)強(qiáng)度、剛度和損傷容限進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)材料。
在這一技術(shù)中，噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度獨(dú)立于打印速度，關(guān)鍵在于精確編排噴嘴的打印速度和旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)控制噴嘴旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的附加剪切場(chǎng)對(duì)聚合物基體中的嵌入式纖維的排列進(jìn)行編程。不同的旋轉(zhuǎn)速度和打印速度之比會(huì)產(chǎn)生不同的螺旋角的剪切場(chǎng)，從而引導(dǎo)短纖維沿剪切螺旋線排列，如圖1所示。
圖1 旋轉(zhuǎn)3D打印排列纖維方向原理圖
研究發(fā)現(xiàn)，聚合物基質(zhì)中短纖維排列角度的變化影響材料的彈性力學(xué)性能。分別制備了橫向和縱向兩種拉伸力學(xué)性能樣件，如圖2（A），高旋轉(zhuǎn)速度下打印樣件的力學(xué)性能趨于各相同性。噴嘴不旋轉(zhuǎn)時(shí)，纖維沿打印路徑縱向排列，見圖2（B、C）反之，噴嘴高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(duì)力學(xué)性能的影響及樣件截面的SEM圖像
Jordan R. Raney等人認(rèn)為，該技術(shù)可以精確控制纖維的排布、微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和力學(xué)性能以制備工程復(fù)合材料。該技術(shù)不需要外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)等控制纖維排列方向，易于實(shí)施，且墨水設(shè)計(jì)具有模塊化特性，可以推廣應(yīng)用到其他各向異性的填料和基體組合中，實(shí)現(xiàn)打印對(duì)象電學(xué)、光學(xué)或者熱力學(xué)性能的編程控制，具有較廣的應(yīng)用范圍。