高強輕質結構制造新方法—分級3D打印液晶聚合物

自然界中的骨骼、蠶絲、木材等生物材料能夠自組裝形成了一種分級復合構造的輕質結構，不僅擁有優(yōu)異的機械性能，還能夠重新循環(huán)再生長。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員正是借鑒了自然界中生物材料的生長機理，采用分級3D打印液晶聚合物的方法制備出了一種可循環(huán)利用的新型輕質結構。

該技術利用熱致變液晶芳族聚酯中的剛性分子片段在熔融狀態(tài)下能夠自組裝形成液晶向列區(qū)的現(xiàn)象，研究人員采用FDM技術在材料的擠出成形過程中讓熔融液晶材料沿著打印路徑實現(xiàn)自組裝，從而實現(xiàn)了材料結構的各向異性生長，之后再結合材料的各向異性和由3D打印賦予的復合成型能力進一步優(yōu)化結構的機械性能，獲得能夠與傳統(tǒng)輕質材料的剛度、強度以及韌性相比擬的高強輕質結構。

圖1  FDM方法打印分級熱致型液晶聚合物（a）由剛性單體組成的芳族無規(guī)共聚酯構成的棒狀聚合物鏈；（b）熔融狀態(tài)下的剛性聚合物棒沿同一方向對齊；（c）局部對齊的向列區(qū)在聚合物中形成準各向同性區(qū)域；（d）加熱的噴嘴在擠出操作時利用拉伸力和剪切力對聚合物進行重整；（e）材料擠出后失去自身的取向；（f）沉積材料在一定高度的表面再次調整對齊并且形成核殼結構；(g-h)鏈末端通過熱處理進行化學交聯(lián)增加分子量

圖2  液晶聚合物長絲的性能與打印條件的關系 （a）核殼結構長絲的偽色掃描電子顯微圖像；(b-c) 核殼結構長絲橫截面的偏光顯微圖像；(d)X射線衍射表明取向聚合物的占比更高；(e) 垂直擠出的長絲強度和楊氏模量均隨著噴嘴直徑的減小而增大；(f) 水平打印的長絲強度和楊氏模量均隨著長絲高度的減小而增大；(g) 噴嘴溫度與室溫之間的溫差與長絲楊氏模量的關系；(h) 固態(tài)退火處理能夠通過增加聚合物分子量來提高性能

研究人員對打印出來的樣件進行力學性能測試，發(fā)現(xiàn)該熱致變液晶聚合物的自組裝形成各向異性的長絲能夠將材料韌性等機械性能提高到與現(xiàn)有輕質材料類似的程度。

圖3 3D打印的液晶聚合物層板以及部件的機械性能和復雜結構 （a）液晶聚合物開孔層壓板在張力作用下的力學性能；(b) 斷裂之前開孔的應變圖譜；(c) 液晶聚合物打印線和部件的比剛度、比強度和衰減性能；(d-e)具有復雜結構的3D打印液晶聚合物模型

該技術采用分級3D打印技術成功解決了傳統(tǒng)纖維增強型聚合物結構在性能上易脆裂、難以塑形的難題，能夠利用可回收材料再制造，突破了復合材料回收再利用的關鍵技術，成功實現(xiàn)了具有優(yōu)異機械性能輕質構件的制備，對于今后制備新型的人工輕質材料具有重大的意義。


參考文獻
Gantenbein S, Masania K, Woigk W, et al. Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures[J]. Nature, 2018, 561(7722): 226.

作者：楊強，李滌塵
來源：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室