4D打印非接觸控制形狀記憶聚合物復合材料實現結構智能化的新思路

    4D打印是指3D打印的結構在特定的外界條件刺激下，按照預先設計進行自動變形和組裝，無需人為干涉。這一技術可以讓結構“活”起來，為軍事、航空航天、柔性電子、生物醫藥科學等領域帶來了新的發展機遇。

    智能材料的3D打印難度高、驅動方式單一，致使4D打印的發展相對緩慢。為了克服這一難題，近日，來自哈爾濱工業大學的研究團隊實現了基于形狀記憶聚合物及多功能納米復合材料的4D打印，為4D打印智能化結構的發展提供了新思路。

    據悉，該4D打印方法采用直寫型打印設備，研究團隊將打印所需的聚合物、紫外交聯劑及功能性納米粒子溶解于低沸點、高揮發性的溶劑中制成可打印的“墨水”。打印過程中溶劑的快速揮發及紫外光照可使“墨水”迅速固化并形成形狀記憶所需的交聯網絡，通過逐層打印操作構建出具有變形能力的三維結構，即實現4D打印，打印物體的尺寸最小可至微米級。研究團隊設計并研制了一種4D打印“智能”支架，可以通過恒定磁場控制支架的運動，在交變磁場作用下，該支架還呈現出自擴張行為，實現了結構的非接觸控制和智能驅動。

    這項技術有望在眾多領域使用，尤其是在生物醫學及微創領域，它為實現人體植入器件智能化和個性化定制帶來了新的可能性。相關研究成果已發表在國際TOP期刊《應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。

    量子點材料公司展示不含重金屬的量子點薄膜

    位于美國德克薩斯州圣馬科斯市的量子材料公司在2017年消費電子展上向電視、顯示器和移動顯示器制造商展示了不含金屬的量子點薄膜。

    該公司的董事長兼首席執行官斯蒂芬·斯皮爾斯指出，所展示薄膜符合環保要求，限制重金屬在消費和專業電子產品中的使用。

    量子材料公司業務發展高級總監古原安藤說：“由于成本相對較高，安裝量子點顯示薄膜只在高端顯示器市場上受到重視。”他補充說，該公司相信，其低成本大批量量子點制造方法將使更多的消費者能夠擁有量子點電視和其他設備。

    目前量子材料公司正在開發具有無毒鋅或銦核的量子點，以取代許多量子點中使用的鎘核（該公司還制造高性能鎘基量子點）。對于用以替換鎘核的量子點，量子材料公司的理念是避免使用昂貴的稀土金屬，因為有時可能無法確保供應，使用豐富和無毒的II-VI族材料

    MIT研發出世界上最強、最輕材料

    麻省理工學院（MIT）開發的多孔3D石墨烯的強度是鋼的10倍之多，但密度卻只有鋼的20分之一。

    MIT的研究小組設計了目前世界上強度最大的輕質材料。通過熔化和壓縮石墨烯薄片，他們將石墨烯做成海綿狀的立體結構，其強度是鋼的10倍，但密度只有鋼的5%。

    作為最著名的二維材料之一，石墨烯被認為是所有已知材料中強度最高的。然而，到目前為止，研究人員很難將這一二維尺度下的強度轉化為有用的三維材料。

    不過，研究人員最近發現，3D材料的強度與材料的幾何結構設計相關度更大，反而與材料本身的關系較弱。

    也就是說，即使使用不同的輕質材料，只要它們的幾何結構大致相同，那么它們的強度也相差無幾。

    這一研究發現最近發表在Science Advances期刊上，由麻省理工學院土木與環境工程系教授、McAfee工程教授馬庫斯·比埃勒（Markus Buehler）、麻省理工土木與環境工程系的研究員秦釗（音譯，Zhao Qin）等人共同完成。

    很早之前就有科研團隊提出了輕質結構的可能性。然而，實驗室中的結果一直無法與模擬仿真所匹配，材料的強度往往比預測的低幾個數量級。

    因此，MIT的團隊決定通過分析材料的原子級結構來解決這個謎團。他們開發的數學模型非常精準地預測了實驗觀測的結果。

    二維材料僅有一個原子的厚度，在其他方向上可以無限延伸，具有很好的強度和獨特的電學特性。

    但是由于二維材料太“薄”了，對于車輛、建筑物或儀器等三維物體來說，它們并不是十分有用。因此，將2D材料轉變為3D結構是輕質材料研究的一大難題。

    MIT的科研團隊使用熱和壓力的作用壓縮石墨烯，使之形成堅固、穩定的結構，其形狀類似于珊瑚或硅藻等微觀生物。這一形狀具有與體積成正比的巨大表面積，強度非常大。

    秦釗表示： “成功創建3D結構后，我們便著手研究如何達到材料的強度極限。我們嘗試不同的3D模型，然后進行各類測試。我們還使用計算機來模擬拉伸機中不同的拉伸和壓縮條件。最終，我們的樣品密度僅有鋼密度的5%，強度卻是鋼的10倍。”

    比埃勒教授說， 復雜曲面構成的3D石墨烯材料發生形變的情況類似于紙張。紙在長度和寬度方向上強度很小，并且容易起皺。

    但是當成為特定形狀，例如卷成管狀時，紙在沿著管長度方向的強度就會增大很多，可以支撐相對大的重量。同樣，石墨烯薄片通過幾何排列可以形成強度極大的結構。

    石墨烯3D結構使用高分辨率、多材料3D打印機打印而成，并且會通過各類拉伸和壓縮性能的機械進行測試。

    同時，該團隊創建的理論模型可以模擬樣品在機械負載下的結構變化，與實驗結果高度匹配。

    MIT團隊基于原子的計算模型排除了此前其他科學團隊提出的一種可能性： 3D石墨烯的密度可以比空氣輕，甚至可以作為氣球中的氦氣的替代物。

    然而，計算表明，在如此低密度下，材料會因為強度不足而被周圍的空氣壓力壓垮。

    不過，研究人員說，雖然達不到空氣那么小的密度，但是高強度和輕重量的組合是切實可行的。

    比埃勒說：“在相同的幾何結構下，我們可以使用石墨烯，但也可以使用其他諸如聚合物或金屬的材料。實際應用中，除了強度要求，我們還需要考慮成本、加工方法，和諸如透明性或導電性等材料特性的要求。”

    比埃勒指出，幾何結構才是高強度的主要成因，因此高強度材料不僅局限于石墨烯，還可以擴展到各種各樣的材料。

    石墨烯在熱和壓力作用下自然形成的不規則幾何形狀看起來像“千瘡百孔”的碰碰球。這種復雜形狀被稱為“螺旋線”。

    事實上，使用傳統制造方法是無法形成這種結構的，必須通過3D打印才能得到如此復雜的立體空間結構。實際合成的過程要比想象中的復雜一些。

    研究人員說，一種可能的方法是使用聚合物或金屬顆粒作為模板，在熱和壓力處理前通過化學氣相沉積將石墨烯涂覆在模板表面，然后用化學或物理方法除去聚合物或金屬模板，得到石墨烯的螺旋結構。

    目前，該團隊提供的計算模型可以評估最終合成結構的力學特性。

    研究人員說，我們完全可以將這種幾何形狀應用到大型結構材料中。例如，橋梁的混凝土可以采用這種多孔的幾何形狀，在保證強度的同時有效降低橋自身的重量。

    此外，這種幾何構造因為包含很多中空結構，可以提供良好的絕緣性能。

    另外，通過控制結構中孔隙的大小，這種材料還可以應用到水處理或化學過濾系統。研究人員說，這種結構的數學描述可以促進其他多種學科的發展。

    布朗大學的工程學教授高華健對該研究做出了高度評價。他說：“這對于石墨烯三維結構的力學研究具有很大的啟發性。

    該研究中計算機建模和3D打印技術的結合為工程研究提供了新方法。令人印象深刻的是，在3D打印的幫助下，我們可以將最初在納米仿真技術中得到的結構應用到宏觀物體中。”

    高教授說：“ 該研究完美地將2D材料的高強度特性和3D材料的幾何結構特性結合在了一起。”

    該研究得到了美國海軍研究處、美國國防部多學科大學研究計劃，美國巴斯夫- 北美先進材料研究中心的支持。

    碳納米管可改善復合材料導電性

    來自英國的大學日前研發了一種新的技術，可以提高傳統復合材料的電導率和熱導率。

    薩里大學和布里斯托大學以及龐巴迪公司研究了如何在碳纖維表面發展納米材料，特別是碳納米管，以期賦予碳纖維表面必要的性能。

    這項研究將會使得碳纖維增強塑料擁有更多的功能性，同時還保持其結構的完整性。包括傳感器、能量收集裝置以及通信天線在內的其他新奇的功能，均可集成到復合材料結構中。這將迎來復合材料技術的新時代。

    “航空航天工業目前依然主要依賴銅網形式的金屬結構，以提供雷擊保護，并防止由于導電性差而引起的靜電荷在碳纖維表面積聚的現象。”來自前薩里大學的博士，現ACCIS公司助理研究員托馬斯？波澤季奇表示。“這種方式增加了重量，同時難以與碳纖維復合材料一起制造。而我們研發的材料利用了高質量的碳納米管在復合材料表面高密度排列，以允許電傳輸貫穿整個復合材料。”

    “研究人員已經通過研究表明碳納米管可以顯著提升碳纖維符合材料的熱導性，”伊安？哈默頓，來自ACCIS高分子與復合材料專業在讀的博士補充說道，“這將在航空航天工業中產生廣泛的效益，例如給出更好的飛機除冰解決方案，以及使得飛機在一定巡航高度產生的燃料蒸汽最小化。”

    歐盟一項目研發出大型2 x 1厘米具有石墨烯電極的柔性OLED面板

    德國弗勞恩霍夫研究所和其他合作伙伴在歐盟GLADIATOR項目的支持下開發了具有石墨烯電極的功能性柔性OLED照明設備。這個設備的尺寸為2 x 1厘米，遠大于去年開發的原型設備。

    石墨烯電極在基于CVD的工藝中制造。將石墨烯沉積在銅膜上，用柔性聚合物載體覆蓋，然后蝕刻掉銅膜。

    GLADIATOR項目將于2017年4月完成。在接下來的幾個月中，研究人員將通過使石墨烯片轉移過程中出現的雜質和缺陷最小化來改進石墨烯電極。該項目的領導者Beatrice Beyer估計，這種具有石墨烯電極的OLED可以在2-3年內實現商業化。

    GLADIATOR項目于2013年11月推出，除了Fructhofer之外，該項目的合作伙伴包括Aixtron，Graphenea，Amcor柔性電纜，有機電子技術和CEA。歐盟授予該項目1240萬歐元的資金。

    加州大學受金剛狼啟發研制自愈導電材料

    加州大學河濱分校的科學家們研制了一種伸縮性較高的自愈式透明導電材料，被電激活后可為人造肌肉供電，還可用于提升電池、電子設備和機器人的性能。

    美國《先進材料》期刊發表了這項研究成果，這是科學家首次研發出可使離子穿過、可伸縮的自愈式透明離子導體。這種材料用途廣泛，可讓機器人在遭受機械損傷后進行自我修復，延長電子產品和電動汽車中鋰離子電池的使用壽命，提高醫用及環境監測生物傳感器的性能。

    通過離子偶極相互作用實現自愈的示意圖

    為形成一種具有上述所有特性的材料，該研究結合了自愈材料和離子導體領域的研究成果。受傷口自我愈合的啟發，自愈材料可修復磨損，進而延長材料與設備的使用壽命及降低使用成本。研究人員稱，對自愈材料的興趣源于對“金剛狼”的長期喜愛。而離子導體材料則在能量存儲、太陽能轉換、傳感器和電子等設備中具有重要作用。科羅拉多大學研究人員此前證明，可伸縮的透明離子導體可為人造肌肉供電，或制造透明擴音器，不過這些裝置都不兼具受損后自愈的能力。

    關鍵是識別在電化學條件下穩定并可逆的化學鍵。可自愈的聚合物通常使用非共價鍵，這存在一個問題，就是這種化學鍵易受電化學反應的影響而降低材料性能。研究人員運用離子偶極相互作用解決了這一問題。這種作用存在于電化學條件下高度穩定的帶電離子和極性分子之間。研究人員將可伸縮的極性聚合物與可流動的高離子強度鹽進行結合，制造出具有預期特性的材料。

    這種造價低、易生產、類似橡膠的柔軟材料，可伸縮至原長度的50倍。材料在切損后，室溫下24小時內即可重新連接或愈合。事實上，只需要修復5分鐘，這種材料就可伸縮到原長度的2倍。

    研究人員還驗證這種材料可用于為一種人造肌肉（也叫介電彈性體驅動器）供電。人造肌肉是對那種能夠在電壓、電流、壓力或溫度等外部刺激下伸縮、膨脹或旋轉的材料或裝置的統稱。

    該介電彈性體驅動器為堆疊的三層聚合物。頂層和底層是加州大學開發的能夠導電并自愈的新材料，中間層是類似橡膠的絕緣透明薄膜。

    研究人員利用電信號使人造肌肉運動。正如大腦向手臂發出信號后手臂肌肉會運動一樣，人造肌肉在收到信號后也做出了反應。最重要的是，研究人員驗證了新材料類似自然界傷口愈合的自愈能力。人造肌肉部分被切割為兩部分后，材料可以在不受外界刺激下自行修復，修復后的人造肌肉具備與切斷前相同的性能。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org 

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414