勞倫斯·利弗摩爾國家實(shí)驗室（LawrenceLivermore National Laboratory，LLNL）的材料學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，3D打印泡沫的耐久性和長期使用機(jī)械性能均優(yōu)于傳統(tǒng)多孔材料。

    泡沫，也稱為多孔固體，在隔熱、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和漂浮部件的減震支撐等方面具有重要的作用。這種材料是許多工業(yè)領(lǐng)域的重要組分部分，涉及汽車、航空航天、電子、海洋、生物醫(yī)學(xué)、包裝和國防等領(lǐng)域。傳統(tǒng)工藝制備的泡沫材料結(jié)構(gòu)高度不對稱，其孔隙尺寸、形狀、厚度、連通性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)離散程度很高。

    最近，LLNL增材制造實(shí)驗室的科學(xué)家們通過一種“直接墨水寫入”的方法證明了3D打印制備均勻泡沫結(jié)構(gòu)的可行性，該方法將成為泡沫結(jié)構(gòu)制造的改進(jìn)替代方案。然而，3D打印需要使用具有特殊性質(zhì)的聚合物，在這些打印材料商業(yè)化應(yīng)用之前，了解其長期使用的機(jī)械穩(wěn)定性是非常重要的。在作為諸如支撐墊的應(yīng)用中，泡沫材料需長期承受機(jī)械應(yīng)力，因此其機(jī)械穩(wěn)定性至關(guān)重要。

    為了解決穩(wěn)定性的問題，LLNL團(tuán)隊對傳統(tǒng)泡沫材料和3D打印材料的樣品進(jìn)行了加速老化實(shí)驗，使其在恒定壓縮應(yīng)變下經(jīng)歷一系列升溫過程。對每個樣品的應(yīng)力條件、機(jī)械響應(yīng)和永久結(jié)構(gòu)形變進(jìn)行持續(xù)一年甚至更長時間的監(jiān)測，然后使用時間-溫度疊加的方法定量模擬在環(huán)境條件下幾十年內(nèi)這些性質(zhì)的演變過程。

    這項研究證明，與其它傳統(tǒng)的材料相比，3D打印材料老化速度較慢，即能更好地保持它的機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性。有趣的是，泡沫材料中的天然橡膠（即彈性體）卻顯示出完全相反的性質(zhì)，即打印材料中的橡膠比傳統(tǒng)泡沫中使用的橡膠老化得快。

    為了進(jìn)一步解釋打印泡沫材料顯示出的優(yōu)越的長期穩(wěn)定性，該團(tuán)隊利用X射線計算機(jī)斷層掃描技術(shù)對每個泡沫樣品的3D微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并對每個微孔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析。他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)泡沫材料內(nèi)的局部應(yīng)力變化范圍更大，極限應(yīng)力顯著高于更均勻的3D打印泡沫材料的最大應(yīng)力點(diǎn)。

    第一作者Amitesh Maiti說“3D打印泡沫在創(chuàng)建可編程架構(gòu)、特定形狀和可調(diào)諧的機(jī)械響應(yīng)方面具有巨大的靈活性。我們的工作表明打印材料具有良好的機(jī)械性能和長期穩(wěn)定性，未來特定應(yīng)用中用恰當(dāng)設(shè)計的3D打印泡沫替代傳統(tǒng)泡沫材料將成為必然。”

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