香港城市大學(xué)開發(fā)出聚合物晶格3D打印新方法，強度增加100倍！延展性提升兩倍！

2022年9月8日，南極熊獲悉，香港城市大學(xué)(CityU)的研究人員提出了一種3D打印網(wǎng)格狀聚合物部件的新方法，能夠使打印部件的強度相較之前提升100倍。

與傳統(tǒng)的熱處理方法相比，城大的方法只是對塑料打印物體進行部分碳化處理，使其更加堅固，延展性加倍。該團隊說，使用他們的工藝，可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印，其機械性能適合特定的應(yīng)用，如冠狀動脈支架或生物植入物。

△3D打印聚合物晶格

城大教授路楊說："我們提出的這種方法只需在適當(dāng)?shù)臈l件下加熱，就能將脆弱和易碎的3D打印光聚合物轉(zhuǎn)化為可與金屬和合金相媲美的超硬3D架構(gòu)，這令人驚訝。我們的工作提供了一條低成本、簡單和可擴展的路線，可用于制造任何幾何形狀的輕質(zhì)、堅固和延展性的機械超材料�！�

追尋材料的“超級性能”

據(jù)城大的科學(xué)家說，開發(fā)一種既輕盈又具有超高強度和延展性的聚合物，被認為是材料研發(fā)的極難挑戰(zhàn)，因為這些特性往往是相互排斥的。

這是因為熱解反應(yīng)通常是一個在惰性氣氛中將塑料部件加熱轉(zhuǎn)化為增強碳的過程，該過程剝奪了原始聚合物的幾乎所有變形能力。雖然該團隊承認存在其他塑料強化方法，但他們說這些方法也導(dǎo)致了材料內(nèi)部的脆性和低韌性，進而限制了所產(chǎn)生制造部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

尤其重要的一點是，上述這些缺點限制了用"超材料"制造零件。超材料是指具有天然原料所不具備特性的材料。這些材料的一些升級版可用于創(chuàng)建微晶格，它能夠?qū)⑤p質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)建材料本省的特性結(jié)合起來，但研究人員表示它們的3D打印能力仍然很有限。

路教授繼續(xù)補充說："強大而堅韌的架構(gòu)部件通常需要金屬或合金來進行3D打印，但由于商業(yè)金屬3D打印機和原材料的成本高、分辨率低，它們不容易獲得。聚合物更容易獲得，但通常缺乏機械強度或韌性。"

△表明該團隊的材料強度增強的圖形摘要。圖片來自James Surjadi等人，城市大學(xué)。

開發(fā)出強度提升100倍的聚合物

在研究3D打印聚合物晶格的過程中，城大團隊表示他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)出了一種新方法：將聚合物加熱到 "神奇"的部分碳化狀態(tài)。通過仔細控制熱解過程的加熱速率、溫度、持續(xù)時間和氣體環(huán)境，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有可能在一個步驟中提高微晶格的硬度、強度和延展性。

研究人員通過一系列的表征技術(shù)取得了他們的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)緩慢的加熱會導(dǎo)致材料的聚合鏈在熱解轉(zhuǎn)化過程中不完全轉(zhuǎn)化。這就產(chǎn)生了一種復(fù)合材料，其中結(jié)構(gòu)強化的碳碎片和松散交聯(lián)的聚合物鏈可防止復(fù)合材料斷裂，并協(xié)同共存。

通過進一步的研發(fā)，研究人員繼續(xù)發(fā)現(xiàn)，聚合物和碳碎片的比例對于生產(chǎn)強度和延展性優(yōu)化的部件也至關(guān)重要。為了檢驗他們的理論，研究小組制作了幾個測試打印件，在這些打印件中，他們能夠重復(fù)制造出強度為以前100倍、延展性為以前兩倍的碳化晶格。

作為一個額外的好處，研究人員的 "復(fù)合碳"微晶格還顯示出比其基礎(chǔ)聚合物更好的生物相容性，甚至證明更能夠支持細胞的生物活性�？紤]到這一點，研究小組認為他們的工藝可以用來擴大其他各種聚合物的功能，并在新的醫(yī)療、機器人和能源設(shè)備3D打印材料方面釋放出潛力。

△3D打印的冠狀動脈支架，使用科學(xué)家的部分碳化工藝處理。圖片來自James Utama Surjadi等人，城市大學(xué)。

3D打印中的強化晶格

開發(fā)具有晶格幾何形狀的部件以減輕重量，同時提高其沖擊吸收和材料效率的概念在3D打印行業(yè)已經(jīng)存在了一段時間。2022年6月推出的nTopology的新晶格設(shè)計工具現(xiàn)在已經(jīng)允許用戶應(yīng)用先進的DfAM技術(shù)來簡化格子的生成過程，據(jù)說它還有更多的升級在進行中。

通用萊迪思甚至被美國陸軍授予了一份合同，開發(fā)具有先進晶格幾何形狀的3D打印吸能戰(zhàn)斗頭盔。目前正在通用萊迪思位于芝加哥的工廠進行，該項目見證了通用公司為設(shè)計和生成改進的晶格材料而開發(fā)的預(yù)測性建模工具集。

在更具實驗性的層面上，生產(chǎn)服務(wù)提供商Rapid ProductManufacturing（RPM）已經(jīng)獲得了一筆研究經(jīng)費，用于開發(fā)用于消費品的復(fù)雜3D打印晶格。利用碳數(shù)字光合成（DLS）技術(shù)和EPU41/EPU40材料，RPM正在努力創(chuàng)造具有工業(yè)和消費品潛力的復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)。

研究人員的研究結(jié)果在他們題為 "輕質(zhì)、超韌、三維架構(gòu)的復(fù)合碳微晶/Lightweight,ultra-tough, 3D-architected hybrid carbon microlattices"的論文中作了詳細介紹。這項研究是由James Utama Surjadi、周永森、黃思平、王立強、李茂源、范素鳳、李小翠、周景卓、林偉文、王祖凱和路楊共同撰寫的。

DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010