通過數字光處理3D打印的犧牲模具實現智能材料制造

供稿人：戚書豪 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室


近年來，人們對于材料的認識逐漸從僅能承受載荷的結構，發(fā)展成可以發(fā)揮特定作用的功能材料，隨著工作情況要求的提高，能夠根據環(huán)境實現不同功能的智能材料因此逐漸成為科研人員和社會所關注的話題，而基于數字光處理技術（DLP）的3D打印智能結構為智能器件生產提供了新的解決方案，通過將單層光敏樹脂材料固化并累積起來的方式可以制造更加復雜結構的材料，但材料的類別局限于光敏樹脂；納米顆�？梢再x予材料功能，但是具有高紫外線吸收率的納米顆粒與數字光處理技術3D打印不兼容，不能作為打印材料。

為了結合數字光處理工藝與納米顆粒材料的特性，科研人員采用了一種3D打印犧牲模具的方法，所謂犧牲模具方法，簡單地說就是先使用光敏樹脂材料3D打印出模具，再將我們所需要的材料澆注在模具中，最后采用物理的或化學的方法去除打印的模具，得到內部零件的方法。研究人員首先以具有可水解的縮醛基團雙官能丙烯酸酯單體TBMMA與交聯劑4-丙烯酰嗎啉（ACMO）混合，通過DLP打印構建犧牲熱固性模具，然后制備出具有動態(tài)二硫鍵的環(huán)氧樹脂/碳納米管復合材料（EPSS / CNTs），將復合材料倒入模具中并加熱，此時復合材料固化，而模具由于熱固性不會熔化；隨后將結構浸泡在乙酸溶液中，模具逐漸水解，得到內部的復合材料模型。

圖1 使用犧牲模具澆注成型的過程

碳納米管的加入使得最終得到的復合材料具有形狀記憶的特性，通過近紅外光（NIR）的照射能夠使結構恢復原狀。如圖2所示，通過加熱的方式使爪子展開，再通過近紅外光分別照射五個分支，5個分支依次關閉，實現爪子抓取的任務。

圖2 獲得材料的形狀記憶特性

二硫鍵的加入使得材料具有自愈合的特性，如圖3所示，在劃痕上，二硫鍵被破壞并以另一種方式交換為鏈接。在碳納米管的幫助下，EPSS/碳納米管通過光熱轉換實現了近紅外光照射下的局部加熱，當該區(qū)域加熱到160°C時，二硫鍵可以迅速進行可逆交換以釋放應力，重新形成二硫鍵，從而實現劃痕的自愈。

圖3 獲得材料的自愈合特性

通過犧牲模具方法制造的環(huán)氧樹脂/碳納米管復合材料實現了形狀記憶功能和自愈合特性，為3D打印制造智能材料提供了新思路，豐富了材料選擇，這將大大擴展3D打印智能結構在尖端領域的應用。未來有望通過不同的材料組合實現更復雜的功能，使得材料變得越來越“智能”。
參考文獻：

    J.-T。 Miao, M. Ge, Y. Wu, S. Peng, L. Zheng, TY Chou, L. Wu, 3D 打印犧牲熱固性模具用于構建近紅外輻射誘導自修復 3D 智能結構, 化學工程雜志 427 ( 2022) 131580。