受蜘蛛網啟發！3D打印透明復合材料可保護手機屏

魔猴君  行業資訊   1436天前

據悉，許多安全關鍵的工程系統需要具有高沖擊吸收的透明材料。現有的透明韌性復合材料具有更高的抗沖擊性，但由于沖擊吸收能力差，經常會發生災難性的失效。來自蒙特利爾工學院的一個團隊2020年10月28日在《 Cell Reports Physical Science》上提出了一種使用3D打印技術制造透明的沖擊吸收復合材料，該復合材料再現了蜘蛛絲中涉及犧牲鍵和隱藏長度的增韌機制，可吸收多達95.6％的沖擊能量，而且不會斷裂。這一創新，為創造牢不可破的塑料外殼鋪平了道路。

Graphical Abstract圖形摘要

自然界的美麗景象經常令人驚嘆，鼓舞著我們獲取靈感。從自然界獲取的靈感會促使人們利用新近發展的增材制造技術將其付諸實踐。來自自然的美麗景象，尤其是自然界巧奪天工的結構，不僅僅指自然界的結構具有完美的曲線和獨特的有機體結構，而且還指其具有獨一無二的功能和性能，甚至是多功能的性能。在大約超過38億年的進化過程中，自然界的生物已經經過物競天擇的過程而形成了獨特的功能性結構，這一結構要么由有機體本身所決定的，要么由外部環境所決定的。向大自然的這一結構學習，可以優化提升工程中的實際應用效果，甚至可以幫助我們解決實際工程中遇到的問題，而且這還是一個可持續發展的解決辦法。

蜘蛛網是由它們的編織者進化而來的，用來耗散捕獲獵物時產生的巨大動能。與肌腱等其他堅韌的生物材料只有10%的吸收能量消散，90%作為彈性能量儲存在材料中不同，蜘蛛網吸收的能量有高達70%消散在系統之外。蜘蛛網主要通過分子鍵的斷裂、熵的增加以及徑向線的內部發熱來消散能量。因此，在卸載時釋放的彈性能被最小化，以避免昆蟲在撞擊后被擺動的網彈射出去。徑向線中的能量耗散歸因于絲原纖維納米結構，該結構由β片狀納米晶體和半非晶域組成（圖1A）。拉伸后，半非晶域中氫鍵的斷裂和蛋白鏈的解開有助于較大的擴展性和高能量耗散。這就是所謂的犧牲鍵和隱藏長度(sacrificial bonds and hidden lengths, SBHL)機理。這種耗能機理的變化形式已經成功地應用于水凝膠和彈性體，從而導致高達85％的高滯后性。研究人員試圖在微觀尺度上擴大這種分子水平的機制，以制造出可以吸收大量能量并像蜘蛛網一樣捕獲彈丸的新型沖擊吸收結構復合材料(圖1B)。

↓↓↓圖1. 受蜘蛛網啟發的透明減震復合材料的設計↓↓↓

▲圖1a. 蜘蛛網捕捉飛行獵物的示意圖。蜘蛛網的高能量耗散是由絲狀原纖維納米結構中的β片狀納米晶體和半非晶域引起的。后者包含具有鏈內和鏈間氫鍵的高度可擴展的蛋白質鏈。在張力作用下，半非晶域內氫鍵的斷裂解開了蛋白質鏈的隱藏部分，從而增加了蜘蛛絲的可延展性和韌性。

▲圖1b. 受蜘蛛網啟發的，透明的、吸收沖擊的復合材料，經過五次反復的沖擊后，能捕捉到自由落體的棒球。棒球的重量為0.5千克，并從落鏢沖擊試驗機上從0.66米的高度掉落。沖擊前后復合材料的圖像顯示出犧牲鍵的斷裂和隱藏長度的展開，再現了蜘蛛絲的耗能機理。

受到蜘蛛網的啟發，蒙特利爾工學院的Frédérick Gosselin教授、Daniel Therriault教授以及博士生Shibo Zou希望展示如何將塑料織帶結合到玻璃板中以防止撞擊時破碎。

通過3D打印進行仿生

研究人員使用聚碳酸酯來達到目的。加熱時，聚碳酸酯像蜂蜜一樣變得粘稠。Gosselin教授的團隊使用3D打印機利用此特性來“編織”一系列厚度小于2毫米的纖維，然后通過垂直打印一系列新的纖維來快速重復該過程，然后快速移動，直到整個纖網固化為止。

當3D打印機將其緩慢擠出以形成纖維時，熔融的塑料會形成最終形成圓圈，最終形成一系列的環。研究人員Gosselin解釋說：“一旦變硬，這些環就會變成犧牲連接，從而賦予纖維額外的強度。當發生撞擊時，這些犧牲連接會吸收能量并破壞以維持纖維的整體完整性，類似于絲綢蛋白。”

▲復合材料制造工藝示意圖。由微結構聚碳酸酯纖維組成的雙層織物由IFFF公司制造，然后在內部尺寸為100 × 100 × 1.5毫米(長×寬×厚)的模具中用透明彈性體滲透。使用兩種具有不同折射率值(589納米時為1.41和1.55)的透明彈性體來制造復合材料。

在2015年發表的一篇文章中，Gosselin教授的團隊演示了這些纖維制造背后的原理（如下圖）。

該研究的主要作者Shibo Zou借此機會舉例說明了這種網在防護屏內部時的行為。在將一系列纖維網嵌入透明樹脂板后，他進行了沖擊試驗。結果如何？塑料晶片可分散高達95.6％的沖擊能量而不會破裂。它們不會破裂，而是在某些地方變形，從而保持了晶圓的整體完整性。

▲(G–J). (G)彈性體薄膜、(H)直纖維復合膜、(I)交替纖維復合膜和(J)混合纖維復合膜在初始接觸后六個不同瞬間的沖擊試驗的高速照相機快照(t= 0 ms)。因為剛度在四個不同的試樣之間是不同的，所以在同一瞬間，飛鏢出現在四個試樣的不同位置。位移d定義為首次接觸后省道的垂直位移，標記在每個樣品的每個快照上。在相同的沖擊能量(5 J)下，沖擊器穿透彈性體膜和直纖維復合膜。交替纖維復合膜和混雜纖維復合膜通過吸收大量能量來捕獲沖擊器。彈性能量的釋放使飛鏢彈回并產生(B)所示的卸載曲線。(K–N)沖擊試驗后斷裂的(K)彈性體膜、(L)直纖維復合膜、(M)交替纖維復合膜和(N)混雜纖維復合膜的光學圖像。插圖中的比例尺代表10毫米。

根據Gosselin教授的說法，這種受自然啟發的創新可能導致制造出新型的防彈玻璃，或者導致生產出更加耐用的塑料保護型智能手機屏幕。戈塞林教授指出：“它也可以在航空航天中用作飛機發動機的保護涂層。”同時，他當然打算探索這種方法可能為他打開的可能性。

參考文獻：Advanced Materials, onlinelibrary.wiley.com/doi/10 … /adma.201500603/epdf

本文來源：Shibo Zou et al, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite, Cell Reports Physical Science (2020). DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100240

來源：https://www.3ddayin.net/3Ddayinfangan/39771.html