自傳感材料會成為未來3D打印技術(shù)的新機遇嗎？

南極熊導(dǎo)讀：如果3D打印材料能夠在問題來不及解決之前及時發(fā)現(xiàn)問題，那將會帶來怎樣的影響？

△格拉斯哥大學(xué)工程師創(chuàng)造的四種不同測試樣品

2024年10月9日，南極熊獲悉，英國格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）的工程師們正在致力于創(chuàng)建一個系統(tǒng)，旨在模擬自感應(yīng)3D打印復(fù)合材料的物理特性。這些材料通過測量電流來檢測應(yīng)變、負載和損壞，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控材料狀態(tài)，從而為各種應(yīng)用釋放安全性和質(zhì)量保證的潛力。

△該研究結(jié)果已發(fā)表在《先進功能材料》雜志上，題目為“自主傳感架構(gòu)材料”（傳送門）

那么，這些自感應(yīng)材料是如何工作的呢？研究人員表示，將碳納米管細絲編織到材料內(nèi)部，使它能夠傳輸電流，并通過一種稱為“壓阻效應(yīng)”的現(xiàn)象，賦予材料監(jiān)測自身結(jié)構(gòu)完整性的能力。當電流發(fā)生變化時，可能意味著材料遭受了壓縮或拉伸，這就為及時解決故障提供了依據(jù)。

通過這些創(chuàng)新，工程師們不僅能夠提升3D打印材料的可靠性，還能推動其在航空航天、建筑和醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。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)了這項研究，他指出：“將壓阻行為賦予3D打印的蜂窩材料，使其能夠在不添加任何額外硬件的情況下，監(jiān)測自身性能�！边@種方法有望在材料科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域開辟新的可能性。

△格子樣品及其熱成像分析

如何測試自感應(yīng)材料

格拉斯哥大學(xué)的工程師們結(jié)合聚醚酰亞胺 (PEI) 和碳納米管，創(chuàng)造出了四種具有功能性（FFF）的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計。這些晶格設(shè)計被稱為自主傳感架構(gòu)材料，并對其壓阻行為進行了系統(tǒng)測試。研究團隊評估了這些材料的剛度、強度、能量吸收和自感應(yīng)能力，并利用復(fù)雜的計算機模型，構(gòu)建了一個系統(tǒng)以預(yù)測這些材料在不同負載下的反應(yīng)。

在獲得模型預(yù)測結(jié)果后，團隊通過在現(xiàn)實條件下對材料進行深入分析來驗證這些預(yù)測。他們使用紅外熱成像技術(shù)可視化了流經(jīng)材料的電流，發(fā)現(xiàn)模型能夠準確預(yù)測材料在各種應(yīng)力和應(yīng)變下的反應(yīng)，以及電阻如何受到影響。

Kumar教授解釋了他們開發(fā)的模型將如何幫助優(yōu)化自主感應(yīng)材料的研發(fā)。他表示：“雖然研究人員已經(jīng)了解這些特性一段時間，但我們?nèi)狈σ环N方法來提前預(yù)見新型自主感應(yīng)材料開發(fā)的效果。相反，我們往往依賴反復(fù)試驗來確定最佳的開發(fā)方法，這既耗時又費錢�！�

△顆粒狀聚醚酰亞胺 (PEI)

如何使用3D打印自感應(yīng)材料

自感應(yīng)材料在增材制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，在航空航天和汽車行業(yè)，自感應(yīng)材料能夠?qū)崟r監(jiān)測飛機、航天器和車輛部件的結(jié)構(gòu)完整性，從而增強安全性和維護性能。如果將自感應(yīng)材料應(yīng)用于橋梁和隧道等結(jié)構(gòu)中，能夠在問題導(dǎo)致坍塌之前發(fā)出警報。工程師們還聲稱，“對智能骨科、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、傳感器、電池和其它多功能應(yīng)用具有深遠影響”。

△壓阻有限元分析方法：使用穩(wěn)態(tài)熱分析中的電熱類比計算電阻率，與機械分析的時間步長同步。根據(jù)從機械分析通過熱分析獲得的應(yīng)力場更新局部電阻率場，采用USDFLD子程序定義母體PEI/CNT復(fù)合材料的壓阻響應(yīng)

工程師們進一步闡述了如何繼續(xù)進行他們的研究。Kumar表示：“雖然我們在此研究中重點關(guān)注了嵌入碳納米管的PEI材料，但我們基于多尺度有限元建模的研究結(jié)果，可以輕松應(yīng)用于其它可通過增材制造的材料�！�

這項研究不僅推動了自感應(yīng)材料的優(yōu)化，也為3D打印領(lǐng)域帶來了新的思路和方向。Kumar補充道：“我們希望這種方法能夠鼓勵其他研究人員開發(fā)新的自主傳感架構(gòu)材料，充分挖掘這種方法在各行各業(yè)的材料設(shè)計和開發(fā)中的潛力。”