研究人员用3D打印珍珠母贝复合材料

发布时间:
2019-08-09
来源:
云3D打印

珍珠母最出名的可能就是其闪闪发光,空灵的外观 - 在珠宝界非常珍贵 - 但天然材料实际上也是地球上最坚硬的材料之一。如果你不熟悉它,珍珠母贝是软体动物贝壳的白炽内部,也被称为珍珠层。该材料的弹性使得南加州大学维特比工程学院的一个研究小组特别感兴趣,该研究小组创造了一种天然材料的3D打印复制品。

由Daniel J. Epstein工业与系统工程系教授和先进制造中心教授Yong Chen领导的研究突破可以促进新型响应智能材料和安全装置的开发,包括头盔和装甲运动和军事用途。3D打印材料的另一个关注领域是生物医学领域,它可用于智能可穿戴设备。

3D打印材料的开发在最近Science Advances 研究得到了详细介绍,其灵感来自于珍珠层的天然微结构,为其提供了强度。除此之外,研究人员还依赖于材料制造过程中的电场,这意味着最终产品具有很强的导电性 - 非常适合智能设备。

“珍珠层非常坚固,因为它将微米级和纳米级元件堆叠在一起,形成砖状结构,并使用柔软材料将它们粘合在一起,”Chen解释说,并补充说该材料具有优于其他刚性材料(如玻璃或陶瓷)的耐压性。“即使非常坚固的玻璃也很容易破裂。这些材料表面的微裂纹可以快速传播通过它,而珍珠层则以智能方式结合了软硬材料。“

也就是说,当珍珠层中形成微裂纹时,将其粘合在一起的柔软材料会使冲击偏转并实际上阻止裂缝扩散。3D打印材料模仿了珍珠母的微观结构以及多材料成分,以实现类似的结果。

Chen补充说:“这项研究的主要动机是看看我们是否可以在微观尺度上3D打印任何形状,使用结合了硬质和软质材料的珍珠层结构,以实现更加坚固的结构。”

3D打印材料主要由石墨烯粉末组成,石墨烯粉末充当材料的构建块。为了对准石墨烯颗粒,该团队推出了约1,000伏的电荷。然后可以固化该材料,然后施加另一层。

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“最初我们有这种随机分布的石墨烯,”陈说。“当你将它添加到电场时,这些随机的石墨烯颗粒彼此平行排列。然后我们固化材料并最终确定层。然后,我们逐层堆叠在顶部,使其在微观结构上与珍珠层相似。“

料的柔软特征是通过添加聚合物实现的 - 有效地使珍珠母材料成为聚合物 - 石墨烯复合材料。如上所述,充电过程赋予材料导电性质:使其与天然对应物分开的特征。

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材料的导电性可用于生产保护装置,例如头盔或盔甲,因为它可以感知并警告佩戴者是否受损或是否存在任何结构缺陷。

为了测试这个特殊的应用,团队3D为乐高人打印了一个小巧的智能头盔,传感器连接到LED灯。当头盔上施加压力时,传感器激活LED灯,让用户知道它处于压力之下。您可以在上面的照片中看到测试的可爱结果。

展望未来,研究团队将进一步探索材料的导热性能以及机械强度和导电性。


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