供稿人：齊晨云、連芩 供稿單位：西安交通大學精密制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-09-01
多孔有機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)秀的機械、熱、生物醫(yī)學、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打印是指利用時間驅(qū)動預成型材料的變化，可以通過編程預應變、熱、磁及4D打印過程中觸發(fā)驅(qū)動等刺激實現(xiàn)材料的變形控制，通過4D打印路線開發(fā)具有受控元機械性能的彎曲多孔有機硅結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)最佳性能具有重要意義。
中國工程物理研究院化學材料研究所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，打印出具有復雜曲面結(jié)構(gòu)的硅橡膠材料，實現(xiàn)了由應變不匹配導致的變形，以及由于壓縮下堆疊細絲的突然屈曲而產(chǎn)生的負剛度效應，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)的負剛度效應
該團隊利用4D打印技術(shù)制造具有負剛度效應的多孔硅橡膠材料，以增強其能量吸收和沖擊保護性能。首先制備了含有熱膨脹微球的復合硅橡膠墨水，并通過熱刺激使微球膨脹，從而實現(xiàn)硅橡膠基質(zhì)的同時發(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，通過預固化和進一步固化和發(fā)泡的過程，獲得了打印的硅橡膠材料，如圖2（b）所示。 最后，通過實驗測試和性能表征，評估了材料不同結(jié)構(gòu)的能量吸收圖3（a）和沖擊保護性能圖3（b）。
圖2 （a）發(fā)泡過程 （b）由雙層細絲組成的打印結(jié)構(gòu)的變形
圖3 （a）具有堆疊雙層細絲結(jié)構(gòu)的4D打印多孔有機硅的變形和能量吸收特性；（b）4D 打印多孔有機硅的沖擊防護性能測試實驗
該研究解決了以下問題： 1. 利用4D打印技術(shù)制造了具有負剛度效應的多孔硅橡膠材料，通過調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的熱膨脹比例，實現(xiàn)了材料的形變和負剛度效應，從而提高了能量吸收和沖擊保護性能。 2. 通過控制墨水的成分和打印參數(shù)，實現(xiàn)了硅橡膠材料的定制化形狀，適應了不同應用場景中的形狀適應性需求。 3. 通過實驗測試和表征方法，對材料的能量吸收和沖擊保護性能進行了評估，驗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剛度效應的多孔硅橡膠材料的技術(shù)難題，并為增強能量吸收和沖擊保護性能提供了一種新的解決方案。未來可以進一步研究4D打印多孔有機硅在更廣泛應用場景下的性能優(yōu)化，如在可穿戴設備中的形狀適應性和能量吸收能力的提升。此外，通過改進打印材料和工藝，有望實現(xiàn)更復雜結(jié)構(gòu)和更高性能。