自感知材料能否代表3D打印的未來？

魔猴君  知識(shí)堂   31天前

想象一下3D打印材料可以在問題變得嚴(yán)重之前檢測(cè)到它們。格拉斯哥大學(xué)的工程師正在努力通過一個(gè)可以模擬自感知復(fù)合材料物理特性的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些材料只需分析電流即可測(cè)量電壓、電荷或損壞，從而可以實(shí)時(shí)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(xué)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(dǎo)電流。這種現(xiàn)象稱為壓阻性，使材料能夠監(jiān)測(cè)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(yán)重之前識(shí)別并糾正故障。

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

自決材料的開發(fā)和測(cè)試

格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kumar教授領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)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(duì)這些“自主感應(yīng)建筑材料”進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估它們的剛性、強(qiáng)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(jì)算機(jī)模型可以預(yù)測(cè)這些材料對(duì)不同機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)。這些預(yù)測(cè)在現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試中得到了驗(yàn)證，其中紅外熱分析使電流通過材料的流動(dòng)可視化。這證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性以及材料通過電阻變化檢測(cè)變形的能力。

晶格及其熱成像（照片來源：格拉斯哥大學(xué)）

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(jì)：“盡管研究人員已經(jīng)了解這些特性有一段時(shí)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(huì)有多有效?！薄拔覀兘?jīng)常不得不依靠反復(fù)試驗(yàn)（迭代）來確定最佳方法，這既耗時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵部件的完整性來提高安全性和維護(hù)性。對(duì)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(cè)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(cè)、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?cè)诒疚闹嘘P(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(lì)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(jì)和開發(fā)中的全部潛力?！?/span>

編譯整理：3dnatives