自控塑料：格拉斯哥研究人员3D打印膨胀材料
想象一下拉伸一种材料，比如橡皮筋。你拉伸得越多，它就越薄。格拉斯哥大学的一组研究人员设计了一种与之相反的材料：拉伸时会膨胀的塑料。这些被称为拉胀材料，研究人员通过精心设计和3D打印内部几何形状实现了这种独特的特性。但这些塑料究竟是如何制造的？它们又有哪些应用呢？
六月底，该团队报告了在高性能工程塑料新型拉胀结构开发和设计方面取得的突破。这项研究发表在《材料视界》（Materials Horizons）杂志上，展示了增材制造如何创造出具有可编程特性（例如强度、拉伸性和应变灵敏度）的自监控材料。通常，拉胀材料具有非凡的机械特性，例如更高的能量吸收率和损伤容限，因此格拉斯哥团队开发的塑料具有广泛的应用潜力。
格拉斯哥研究插图（图片来源：Johannes Schneider等人/Materials Horizons）
研究人员使用Apium Additive Technologies GmbH的Apium P220 FDM 3D打印机（采用PEEK材料）创建了这些结构。PEEK是一种坚固的半结晶热塑性塑料，不仅耐热耐磨，而且由于其强度重量比高，可以替代某些金属。此外，这种材料重量轻且具有生物相容性，已广泛应用于工程和生物医学领域。使用PEEK材料使研究人员能够精确控制机械和电气行为。
“我们已经证明，设计出不仅具有拉胀性的PEEK网络是可能的，而且它还能够感知应变和损伤，而无需集成电子设备，”该研究的通讯作者、格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院材料和增材制造专家Shanmugam Kumar教授说道。
制造过程
这种材料之所以具有自感知能力，是因为一种名为压阻效应的现象。这种现象使材料能够“感知”自身受到的拉伸、压缩或冲击。研究人员利用四种基于PEEK的原材料，构建了一系列二维晶格，其中三种原材料中注入了碳纳米管。这些纳米管赋予塑料导电性，使其能够充当传感器。当晶格结构在机械应力作用下变形时，其内部电阻会发生可测量的变化。
打印过程图解（图片来源：Johannes Schneider等人/Materials Horizons）
格拉斯哥团队基于形似双端“Y”的重复单元创建了模型，形成了一种“枝干枝”式的排列。该框架使他们能够制作出大量的模型，并通过修改厚度、角度和间距等参数来优化每个结构的机械性能。最终，该团队编制了一份材料目录，其中包含了不同程度的膨胀性、刚度、强度以及对变形和/或损伤的敏感性。
为了支持新开发的材料，研究人员创建了一个计算机模型来预测这些材料在不同负载条件下的行为。该工具能够精确捕捉网络电阻随机械应力变化的情况，使他们能够在3D打印实体样品之前，通过模拟来优化材料的行为。“通过结合设计、制造和预测建模，我们现在可以创造出完全符合特定应用需求的材料，无论是吸收冲击、检测损伤，还是以受控的方式变形，”Kumar说道。这意味着我们可以迈向“为失效而设计”的理念，使材料不仅坚固轻便，而且智能化，能够随着时间的推移监测自身的完整性。
这些膨胀材料的各种应用
这项研究建立在该团队之前对炭黑浸渍PLA进行的研究的基础上，当时他们创建了一个包含56种不同拉胀晶格结构的库。在去年发表的这项研究中，该团队设计了能够大幅拉伸、感知微小变形或承受高负荷的晶格。与PEEK结构一样，PLA结构可以导电，并通过压阻系数的变化来响应机械变形。“基于PLA的设计非常适合临时应用，例如低负荷生物医学植入物中的智能支架，或嵌入运动器材中的一次性传感器，”Kumar补充道。与此同时，PEEK基材料为在更苛刻的环境中制造永久性承重智能组件铺平了道路。”
另一项研究中，传统间隔织物与拉胀间隔织物的比较。（图片来源：Wang Z,Hu H.）
PEEK材料有哪些潜在应用？Kumar列举了几种可能性，包括智能骨科植入物、航空航天涂层和可穿戴技术。PEEK还可以用于抗碰撞车辆结构和结构健康监测。他总结道：“我们实际上是为设计师提供了一个工具箱，帮助他们打造下一代兼具智能和坚固的多功能材料。
编译整理：3dnatives
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