格拉斯哥大學3D打印自傳感碳納米管材料，有望用于醫(yī)療和航空領域

2022年5月11日，南極熊獲悉，格拉斯哥大學領導的一個研究小組已經開發(fā)出一種可3D打印的碳納米管基塑料材料，能夠自我感應到自身結構變化的信號。

據(jù)報道，這種新型材料的開發(fā)靈感來自于自然界中發(fā)現(xiàn)的蜂巢、海綿和骨骼等多孔細胞形態(tài)，它比同類傳統(tǒng)材料更堅韌、更牢固、更智能，可以在醫(yī)學、假肢、汽車和航空航天設計中找到新的應用，這些領域都需要具有自我感應能力的低密度、堅韌材料。

格拉斯哥大學詹姆斯-瓦特工程學院的ShanmugamKumar博士說："在如何平衡特性和結構以創(chuàng)造高性能輕質材料方面，大自然有很多東西可以教給工程師。我們從這些形式中獲得靈感，開發(fā)了我們的新細胞材料，與傳統(tǒng)生產的同類材料相比，這些材料具有獨特的優(yōu)勢，可以進行微調以操縱其物理特性。"

△3D打印的納米工程設計。圖片來自格拉斯哥大學。

3D打印碳納米管

碳納米管于1991年首次被發(fā)現(xiàn)，此后因其理想的機械性能而聲名鵲起。碳納米管被譽為“比鋼強一百倍、比鉆石硬、比銅導電一千倍”，在一系列潛在的重要工業(yè)中都具有應用潛力，如電子和水凈化過濾器，并可用于開發(fā)具有卓越機械、熱和導電性能的復合材料。

迄今為止，碳納米管材料已被用于3D打印形狀記憶聚合物、軟體機器人，以及3D打印生物相容性組織支架。

盡管有這樣的前景，但利用碳納米管進行3D打印仍有一些挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)是打印過程中碳納米管糾纏在一起時通常會出現(xiàn)“意大利面效應”，盡管來自萊斯大學的研究人員已經開發(fā)出一種新型溶劑，可以克服這一障礙，并使碳氫化合物的工業(yè)3D打印規(guī)模擴大。

在其他地方，位于亞利桑那州的初創(chuàng)公司Mechnano認為其自己的碳納米管3D打印材料技術可以為航空航天、國防、醫(yī)療和汽車行業(yè)帶來 "巨大的變化"。

△相對密度為30%的3D打印細胞結構。圖片來自先進工程材料。

自傳感材料

將傳感能力整合到材料中對于監(jiān)測結構的原位變形狀態(tài)或損傷狀態(tài)是非常有用的。例如，自感應網格可用作智能康復輔助設備和軟體機器人的材料結構，其中感應、控制和驅動對提高機器人功能的效率至關重要。

為了開發(fā)出新型材料，格拉斯哥大學團隊將一種普通的聚丙烯（PP）工業(yè)塑料與碳納米管結合起來，創(chuàng)造出一種據(jù)說比同類傳統(tǒng)材料更堅韌、更強大、更智能的材料。

將碳納米管整合到原本不導電的塑料中，使其在整個結構中攜帶電荷，在受到機械負荷時發(fā)生變化。這被稱為壓阻率，并使該材料具有感知自身結構健康的能力。

利用這種新型材料，研究小組調查了三種不同的3D打印納米工程設計的能量吸收和自我感應特性，其靈感來自于自然界中發(fā)現(xiàn)的蜂巢、海綿和骨骼等多孔材料。

利用FFF增材制造工藝，研究人員創(chuàng)造了一系列具有中尺度多孔結構的復雜設計，以生產出輕量化和高機械性能的設計。

庫馬爾說："我們選擇的聚丙烯無序共聚物具有更強的可加工性，更好的耐溫性，更好的產品一致性，以及更好的沖擊強度。碳納米管有助于使其具有機械強度，同時賦予導電性。我們可以在設計中選擇多孔的程度，并設計多孔的幾何形狀，以提高特定質量的機械性能。"

△在不同階段的壓縮載荷變化圖。圖片來自先進工程材料。

滿足行業(yè)對自感應部件的需求

研究人員共測試了三種不同形狀的多孔設計，并發(fā)現(xiàn)一種立方體形狀的"板狀"結構表現(xiàn)出最有效的機械性能和自感應能力的結合。

當受到單一的壓縮作用時——既不增加也不減少的持續(xù)壓縮，網格結構顯示出與相同密度的泡沫鎳相似的能量吸收能力。據(jù)報道，該結構還優(yōu)于其他幾種類似密度的傳統(tǒng)材料。

在觀察了他們的3D打印設計的增強機械性能后，該團隊認為其智能材料可以在醫(yī)學、假肢、汽車和航空航天設計中找到新的應用。

研究人員說，隨著這些領域越來越注重輕量級工程，人們會有源源不斷的動力來開發(fā)具有優(yōu)良質量特性的低密度格子。在這些領域中，該團隊認為這款新材料可以滿足對具有自我感應能力的低密度、堅韌材料日益增長的需求。

△PPR/CNT細胞結構的能量吸收能力與最先進的能量吸收細胞結構的比較。圖片來自先進工程材料。

庫馬爾補充說："像這樣的輕質、堅韌、自感應材料在實際應用中具有很大的潛力。例如，它們可以幫助制造更輕、更有效的汽車車身，或者為有脊柱側彎等問題的人提供背架，能夠在他們的身體沒有得到最佳支持時發(fā)出感應信號。它們甚至可以用來為電池創(chuàng)造新形式的結構化電極�！�

關于這項研究的更多信息可以在《先進工程材料》雜志上發(fā)表的題為："通過增材制造實現(xiàn)納米工程自感應格子的多功能性/Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabledby additive manufacturing"的論文中找到。該研究的共同作者是J. Ubaid、J. Schneider、V. Deshpande、B. Wardle和S. Kumar。

相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200194