自感知材料能否代表3D打印的未來？

魔猴君  知識堂   175天前

想象一下3D打印材料可以在問題變得嚴重之前檢測到它們。格拉斯哥大學的工程師正在努力通過一個可以模擬自感知復合材料物理特性的系統(tǒng)來實現(xiàn)這一目標。這些材料只需分析電流即可測量電壓、電荷或損壞，從而可以實時監(jiān)控其狀況。這為許多行業(yè)的安全和質(zhì)量保證開辟了新的視角。

這些自感應(yīng)材料如何發(fā)揮作用？根據(jù)格拉斯哥大學的一份新聞稿，將碳納米管集成到這些材料中使它們能夠傳導電流。這種現(xiàn)象稱為壓阻性，使材料能夠監(jiān)測其自身結(jié)構(gòu)的完整性。如果電流發(fā)生變化，則可以指示變形，例如壓縮或拉伸，從而可以在故障變得更嚴重之前識別并糾正故障。

格拉斯哥大學工程師創(chuàng)建的四種不同的晶格（照片來源：格拉斯哥大學）

自決材料的開發(fā)和測試

格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院的Shanmugam Kumar教授領(lǐng)導了這項研究。他解釋說：“賦予3D打印蜂窩材料壓阻行為，無需添加額外的硬件即可監(jiān)控其性能。

通過將聚醚酰亞胺(PEI)和碳納米管相結(jié)合，研究人員開發(fā)了四種由熔絲制造(FFF)生產(chǎn)的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)。然后對這些“自主感應(yīng)建筑材料”進行測試，以評估它們的剛性、強度、能量吸收，以及最重要的是它們的自我監(jiān)控能力。

工程師開發(fā)的計算機模型可以預測這些材料對不同機械應(yīng)力的反應(yīng)。這些預測在現(xiàn)實世界的測試中得到了驗證，其中紅外熱分析使電流通過材料的流動可視化。這證實了模型的準確性以及材料通過電阻變化檢測變形的能力。

晶格及其熱成像（照片來源：格拉斯哥大學）

庫馬爾教授解釋了他們開發(fā)的模型將如何幫助優(yōu)化自傳感材料的設(shè)計：“盡管研究人員已經(jīng)了解這些特性有一段時間了，但我們還無法做到的是提供一種提前了解的方法創(chuàng)造創(chuàng)新自感知材料的新嘗試會有多有效。”“我們經(jīng)常不得不依靠反復試驗（迭代）來確定最佳方法，這既耗時又昂貴。?

3D打印自傳感材料可能有哪些應(yīng)用？

這些材料提供的可能性是巨大的。在航空航天和汽車行業(yè)，它們可以通過實時監(jiān)控關(guān)鍵部件的完整性來提高安全性和維護性。對于橋梁或隧道等基礎(chǔ)設(shè)施，這些材料可以在結(jié)構(gòu)問題演變成重大故障之前檢測到它們。工程師相信這些發(fā)現(xiàn)也可以應(yīng)用于智能骨科、結(jié)構(gòu)監(jiān)測、傳感器甚至電池等領(lǐng)域。

Kumar教授還談到了未來的前景：

“雖然我們在本文中關(guān)注的是嵌入碳納米管的PEI材料，但我們的結(jié)果所基于的多尺度有限元建模可以應(yīng)用于增材制造創(chuàng)建的其他材料。?

“我們希望這種方法能夠鼓勵其他研究人員開發(fā)具有自主傳感功能的新型建筑材料，從而釋放這種方法在各行業(yè)材料設(shè)計和開發(fā)中的全部潛力。”

編譯整理：3dnatives