研究人員使用3D打印將納米顆粒組裝成堅(jiān)固的宏觀結(jié)構(gòu)

魔猴君  行業(yè)資訊   1656天前

漢堡工業(yè)大學(xué)（TUHH）和麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員與不來梅大學(xué)和不來梅大學(xué)合作，已經(jīng)使用3D打印將納米顆粒組裝成堅(jiān)固的宏觀結(jié)構(gòu)。

該研究小組開發(fā)了一種直接寫入自組裝技術(shù)，該技術(shù)通過交聯(lián)得到了全面增強(qiáng)，從而使微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以反映在宏觀結(jié)構(gòu)中。將3D打印與這種膠體組裝方法相結(jié)合，可以使機(jī)械性能更強(qiáng)，多功能的3D結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并為航空航天業(yè)中的所得材料打開新的應(yīng)用領(lǐng)域?！?3D打印為開發(fā)新材料提供了一種快速且可控的方式。以前的3D打印的基于粒子的材料通常較弱，因?yàn)樗鼈兊牧Ｗ又饕峭ㄟ^弱力固定在一起的。而在我們這里，整個材料中形成了牢固的，共價鍵結(jié)合的納米顆粒的緊密堆積的網(wǎng)絡(luò)?！必?fù)責(zé)這項(xiàng)研究的TUHH的BertaDomènech博士說。

3D打印柱的示意圖，以及相應(yīng)的孔隙率評估。圖片來自高級工程材料。

利用微型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

宏觀結(jié)構(gòu)通常包含許多裂紋或缺陷，當(dāng)置于較高的載荷下時，可能會導(dǎo)致它們失效。另一方面，納米材料幾乎沒有缺陷，因此將微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢納入其宏觀等效物的潛力可以為后者提供更高的強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)這種集成，需要開發(fā)一種能夠精確控制納米顆粒（NP）的組成和組裝的制造方法。

研究人員提出，通過利用和進(jìn)一步控制其固有的分子間和表面力，可以將NPs組裝成更大的結(jié)構(gòu)。利用這些短程作用力，膠體自組裝成為一種可行的方法，可以對納米嵌段進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，并調(diào)節(jié)所得材料的性能。雖然通常使用膠體自組裝來創(chuàng)建1D或2D結(jié)構(gòu)，但利用3D打印可以跨多個長度尺度對3D材料系統(tǒng)進(jìn)行量身定制的設(shè)計(jì)。

為了有效地使用這種直接書寫3D打印技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)將需要使用剪切稀化墨水，該墨水在壓力下流過針孔，并且在沉積時具有保形能力。結(jié)果，幾種長度尺度的成功橋接取決于合成的納米復(fù)合材料的固有機(jī)械強(qiáng)度。盡管NP的理論強(qiáng)度極強(qiáng)，但NP之間的鍵合力需要達(dá)到數(shù)百M(fèi)Pa左右才能起作用，因此團(tuán)隊(duì)需要一種新的方法。作為回應(yīng)，研究人員設(shè)計(jì)了一種將直接寫入3D打印與氧化鐵NP的膠體自組裝相結(jié)合的方法，以創(chuàng)建堅(jiān)固的獨(dú)立式宏觀結(jié)構(gòu)。

將樣品進(jìn)行彎曲測試（圖像B），將得到的色譜柱表面保留在圖像D中。通過Advanced Engineering Materials獲得圖像。

3D打印高強(qiáng)度宏觀結(jié)構(gòu)

直寫膠體組件是使用定制的臺式直寫系統(tǒng)構(gòu)建的，該系統(tǒng)最初是由麻省理工學(xué)院開發(fā)的。為了創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，將OA功能化Fe3O4-NP的甲苯基懸浮液從高精度針頭分配到基質(zhì)上，形成液橋。在膠體組裝過程中，橋?yàn)榫奂诘撞康腘P提供了限制，并形成了自組裝的實(shí)心柱。通過以與自組裝印刷柱的垂直生長速率匹配的速率向下移動底物，可以控制該過程。通過在325°C的惰性氣氛中進(jìn)行熱處理來增強(qiáng)強(qiáng)度，從而在相鄰納米顆粒的有機(jī)分子之間形成新的鍵（或交聯(lián)）。所得的有機(jī)部件更硬，并且更能抵抗較高的載荷，其固化效果與在普通環(huán)氧樹脂上的固化過程相似。

利用這項(xiàng)新技術(shù)，研究人員生產(chǎn)了具有超結(jié)晶結(jié)構(gòu)的獨(dú)立式毫米大小的色譜柱。發(fā)現(xiàn)由球形氧化鐵納米顆粒的有序排列（超晶）組成的微型柱子的表面覆蓋著短有機(jī)分子（油酸）。發(fā)現(xiàn)這種表面功能化是材料增強(qiáng)的機(jī)械性能的原因。結(jié)合力使納米顆粒可控地組裝成緊密堆積的有序排列，有機(jī)分子充當(dāng)了進(jìn)一步增強(qiáng)材料的活性位點(diǎn)。

為了評估超晶格中可能的變化，在沿柱軸的不同點(diǎn)進(jìn)行了基于同步加速器的小角X射線散射（SAXS）分析。掃描確定形成了超晶格，并且未檢測到作為列位置的函數(shù)的晶格參數(shù)有顯著差異。將摘要X射線顯微鏡（XRM）應(yīng)用于3D打印柱的一部分，總長度為460μm。該掃描檢測到41 311μm3的色譜柱內(nèi)部不對稱分布的內(nèi)部空隙和孔，這相當(dāng)于樣品評估的總體積的0.6％。

研究團(tuán)隊(duì)成功地證明了膠體組裝與3D打印的結(jié)合，可以輕松，快速地制造出堅(jiān)固耐用的色譜柱，將幾乎五種不同的長度范圍橋接在一起。根據(jù)研究人員的說法，他們現(xiàn)在將嘗試獲得對過程參數(shù)的更多控制，將研究范圍擴(kuò)展到其他納米粒子系統(tǒng)，并最終創(chuàng)建具有不同幾何形狀的3D打印部件。這項(xiàng)新技術(shù)可能導(dǎo)致將納米級構(gòu)建塊集成到各種宏觀多功能材料中，從光子器件到新的結(jié)構(gòu)材料。

3D打印中的高耐久性宏觀結(jié)構(gòu)

來自各種政府部門和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了新的3D打印方法，這些方法近年來產(chǎn)生了更耐用的金屬。

德州農(nóng)工大學(xué)的研究人員建立了一套準(zhǔn)則和參數(shù)，以允許在2020年3月將低合金增材制造為無缺陷的零件。該團(tuán)隊(duì)制定了一個標(biāo)準(zhǔn)，可以精確確定影線之間的最大間距，從而避免出現(xiàn)缺陷層之間融合不足引起的。

美國空軍技術(shù)學(xué)院（AFIT）于2019年9月開發(fā)了一種3D打印用于武器應(yīng)用的高性能空軍AF-9628鋼的方法。創(chuàng)新了一種新型粉末床融合（PBF）技術(shù)，從而能夠生產(chǎn)金屬表現(xiàn)出比傳統(tǒng)AM合金更高的拉伸強(qiáng)度。

2019年10月，美國國家航空航天局（NASA）的馬歇爾太空飛行中心（MSFC）成為了HRL實(shí)驗(yàn)室7A77鋁3D打印粉的第一個商業(yè)客戶。該材料是Al-7075的開發(fā)版本，具有良好的延展性，高強(qiáng)度，韌性和出色的耐腐蝕性。

來源：網(wǎng)絡(luò)編譯文章