研究人員開發(fā)3D打印復(fù)合材料復(fù)雜物理特性模擬系統(tǒng)，為材料研發(fā)打開新思路

2024年10月8日，南極熊獲悉，來自格拉斯哥大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了首個(gè)能夠模擬3D 打印復(fù)合材料復(fù)雜物理特性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅通過測(cè)量電流就能檢測(cè)應(yīng)變、負(fù)載和損壞。該研究消除了開發(fā)先進(jìn) 3D 打印材料過程中的猜測(cè)，并有助于加速新型“自感知”飛機(jī)、機(jī)器人、橋梁等的開發(fā)。

該研究以團(tuán)隊(duì)先前的進(jìn)展為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇論文，展示了另一種建模方法，使研究人員能夠預(yù)測(cè) AM 引起的缺陷如何影響任何新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)完整性。該團(tuán)隊(duì)的研究成果以題為“Autonomous Sensing Architected Materials/自主感知架構(gòu)材料”論文發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上。論文作者M(jìn)attia Utzeri 曾是格拉斯哥可持續(xù)多功能材料和增材制造 (SM2AM) 實(shí)驗(yàn)室的博士生，目前是意大利馬爾凱理工大學(xué)的研究員，他與土耳其伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的合作者一起參與了這項(xiàng)工作。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411975

通過讓材料科學(xué)家預(yù)測(cè)如何對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)以產(chǎn)生強(qiáng)度、剛度和自感應(yīng)特性的特定組合，它可以幫助催化該技術(shù)革命性新應(yīng)用的開發(fā)。

在航空航天和汽車領(lǐng)域，利用該團(tuán)隊(duì)的研究成果生產(chǎn)的新材料可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)、航天器和車輛部件的結(jié)構(gòu)完整性，從而提高安全性和維護(hù)效率。

對(duì)于土木工程而言，這些材料可以促進(jìn)智能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，通過對(duì)橋梁、隧道和高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)評(píng)估，在問題導(dǎo)致倒塌之前就將其凸顯出來。它們可以為自動(dòng)化制造中的機(jī)器人提供類似的好處，甚至可以幫助戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵密切關(guān)注其防彈衣板的完整性。

隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)能夠制造出具有獨(dú)特性能的越來越復(fù)雜的材料。例如，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入蜂窩狀腔室的網(wǎng)格，可以讓材料在重量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間實(shí)現(xiàn)微妙的平衡。

將細(xì)小的碳納米管編織到整個(gè)材料中，可以使它們傳輸電流，從而通過一種稱為壓阻的現(xiàn)象，賦予它們監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)完整性的能力。當(dāng)電流讀數(shù)發(fā)生變化時(shí)，它可以表明材料已被壓碎或拉伸，從而可以采取行動(dòng)來解決故障。

格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的 Shanmugam Kumar 教授說：“將壓阻行為賦予 3D 打印蜂窩材料，使它們能夠在無需任何額外硬件的情況下監(jiān)控自身的性能。這意味著我們可以為廉價(jià)、相對(duì)易于制造的材料注入非凡的能力，以檢測(cè)它們何時(shí)受到損害并測(cè)量它們的損壞程度。這些類型的晶格材料，我們稱之為自主傳感架構(gòu)材料，具有巨大的未開發(fā)潛力，可在各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造高級(jí)應(yīng)用。雖然研究人員已經(jīng)了解這些特性一段時(shí)間了，但我們無法提供一種方法來提前知道創(chuàng)造新型自感應(yīng)材料的新嘗試將有多有效。相反，我們經(jīng)常依靠反復(fù)試驗(yàn)來確定開發(fā)這些材料的最佳方法，這既耗時(shí)又昂貴�！�

△可視化自感知材料的智能行為：該圖顯示了智能材料如何感知自身形狀/狀態(tài)的變化。當(dāng)材料受到擠壓時(shí)（左圖：未受擠壓，右圖：受擠壓 20%），電流通過材料的方式會(huì)發(fā)生變化。這種“感知”和檢測(cè)變化的能力可用于汽車或航空航天等應(yīng)用，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛或飛機(jī)的健康狀況，從而提高安全性和性能。來源：格拉斯哥大學(xué)。

在論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾瓮ㄟ^一系列嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和建模來開發(fā)他們的系統(tǒng)。他們使用一種稱為聚醚酰亞胺 (PEI) 的塑料與碳納米管混合，創(chuàng)建了一系列四種不同的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后對(duì)這些設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度、能量吸收和自感應(yīng)能力進(jìn)行了測(cè)試。

△采用增材制造技術(shù)制造 3 wt.% CNT 增強(qiáng)聚醚酰亞胺晶格復(fù)合材料，相對(duì)密度數(shù)學(xué)方程，具有六邊形 a)、I 形 b)、凹入 c) 和 S 形 d) 配置。中間一欄顯示了幾何模型，說明了各種單元拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)。

他們利用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)建模開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，旨在預(yù)測(cè)材料如何響應(yīng)各種負(fù)載。然后，他們通過在現(xiàn)實(shí)條件下對(duì)材料進(jìn)行深入分析來驗(yàn)證其多尺度有限元模型的預(yù)測(cè)——利用紅外熱成像實(shí)時(shí)可視化流過材料的電流，并利用這些材料中熱量和電流流動(dòng)之間的類比。

他們發(fā)現(xiàn)，他們的模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料對(duì)各種應(yīng)力和應(yīng)變組合的反應(yīng)，以及它們的電阻會(huì)受到怎樣的影響。這些結(jié)果有助于為增材制造的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)，因?yàn)樗�可以在打印出第一個(gè)真實(shí)原型之前，洞悉擬議的新材料的性能。

Kumar 教授說：“通過這項(xiàng)研究，我們開發(fā)出了一個(gè)全面的系統(tǒng)，能夠?qū)ψ愿袘?yīng) 3D 打印材料的性能進(jìn)行建模。該系統(tǒng)以嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和理論為基礎(chǔ)，是同類系統(tǒng)中第一個(gè)能夠跨多個(gè)尺度對(duì) 3D 打印材料進(jìn)行建模并結(jié)合多種物理類型的系統(tǒng)。雖然我們?cè)诒疚闹兄攸c(diǎn)研究了嵌入碳納米管的 PEI 材料，但我們研究結(jié)果所基于的多尺度有限元建模可以輕松應(yīng)用于其他可以通過增材制造制造的材料。我們希望這種方法能夠鼓勵(lì)其他研究人員開發(fā)新的自主傳感架構(gòu)材料，充分發(fā)揮這種方法在廣泛行業(yè)的材料設(shè)計(jì)和開發(fā)中的潛力�！�