格拉斯哥大學(xué)新研究：3D打印智能塑料可監(jiān)測(cè)自身健康狀況

2025年7月17日，南極熊獲悉，來自格拉斯哥大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種 3D 打印智能塑料結(jié)構(gòu)，它可以感知何時(shí)被拉伸、壓縮或損壞，并做出相應(yīng)調(diào)整。這些智能晶格由碳納米管 (CNT) 增強(qiáng)的高性能塑料制成，可用于從醫(yī)療植入物到航空航天部件等各種領(lǐng)域。

相關(guān)研究以題為“Topology-engineered piezoresistivelattices with programmable strain sensing, auxeticity, and failure modes”的論文發(fā)表在《材料視界》雜志上。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d5mh00884k

論文詳細(xì)介紹了團(tuán)隊(duì)如何將聚醚醚酮 (PEEK) 與多壁碳納米管 (CNT) 相結(jié)合，創(chuàng)造出一種既結(jié)構(gòu)堅(jiān)固又具有電響應(yīng)性的材料。隨著材料變形，電阻會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自我監(jiān)控。

本研究由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kumar教授領(lǐng)導(dǎo)，馬爾凱理工大學(xué)和美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)也參與其中。研究還得到了印度科技部、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）的資助。

庫(kù)馬爾教授說：“我們本質(zhì)上是為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)工具包，用于構(gòu)建下一代多功能材料，這些材料既智能又堅(jiān)固。”

△生成相對(duì)密度ρ= 25%的二維拉脹結(jié)構(gòu)的順序設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)化過程。圖片來自格拉斯哥大學(xué)。

設(shè)計(jì)可感知壓力的材料

在本研究中，團(tuán)隊(duì)采用幾何建模方法，基于Voronoi圖案和對(duì)稱運(yùn)算設(shè)計(jì)了復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括拉脹結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)材料不同，這種結(jié)構(gòu)在拉伸時(shí)會(huì)橫向膨脹。這種行為提高了能量吸收和抗損傷能力。一些設(shè)計(jì)的泊松比低至-0.63，證實(shí)具有強(qiáng)大的拉脹性能。

這些結(jié)構(gòu)采用Apium P220 3D 打印機(jī)進(jìn)行 3D 打印，這是一款適用于 PEEK 等工程級(jí)聚合物的高溫 FFF 系統(tǒng)。定制線材采用索爾維的KetaSpire PEEK和 Graphistrength C100 碳納米管 (CNT) 制成，并采用商用導(dǎo)電 PEEK 線材進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

△ (a) FFF 增材制造工藝示意圖和 (b) 宏觀壓阻測(cè)試示意圖。左圖展示了一套 FFF 裝置，包含一個(gè)加熱平臺(tái)和一個(gè)以預(yù)定模式分配材料的移動(dòng)打印頭。插圖展示了用于生成晶格設(shè)計(jì)的參數(shù)化 BSB 結(jié)構(gòu)。右圖是用于打印晶格結(jié)構(gòu)拉伸測(cè)試的配置，包括應(yīng)變下的電阻測(cè)量。裝置通過非導(dǎo)電層確保樣品的電隔離，并通過銅層實(shí)現(xiàn)最佳的電極接觸。

在測(cè)試過程中，打印的晶格被拉伸，同時(shí)監(jiān)測(cè)電阻。在低應(yīng)變下，材料表現(xiàn)出平緩且可預(yù)測(cè)的響應(yīng)。隨著應(yīng)力的增加和內(nèi)部損傷的發(fā)生，電阻急劇變化。在某些樣品中，應(yīng)變靈敏度達(dá)到80%，尤其是在經(jīng)歷非彈性變形的區(qū)域，從而可以實(shí)現(xiàn)早期故障檢測(cè)。為了開展實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用有限元分析建立了一個(gè)計(jì)算模型，可預(yù)測(cè)電阻在應(yīng)力作用下的變化，捕捉從彈性變形到失效開始的整個(gè)過程。

通過調(diào)整晶格幾何形狀和碳納米管填料的含量，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)剛度、膨脹度和損傷響應(yīng)等性能的控制。剛度隨結(jié)構(gòu)不同在 9 至 63 MPa 之間，而材料的電導(dǎo)率與純 PEEK 相比提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。電導(dǎo)率從純 PEEK 的 2.7 × 10⁻⁸ S/m 上升到含有 6% 納米管的復(fù)合材料的 3 S/m 以上。

批量測(cè)試表明，添加納米管后，剛度提升高達(dá)45%，但代價(jià)是能量吸收率降低。應(yīng)變系數(shù)（表示應(yīng)變靈敏度）根據(jù)配方不同，范圍從6到26。一些定制共混物的性能優(yōu)于商用長(zhǎng)絲。

這種將結(jié)構(gòu)、傳感和機(jī)械適應(yīng)性融于一體的3D打印部件，為那些既需要性能又需要可靠性的應(yīng)用打開了大門。例如，可追蹤康復(fù)情況的骨科植入物、可檢測(cè)磨損的航空航天蒙皮，以及在受損時(shí)發(fā)出警報(bào)的防護(hù)系統(tǒng)。

材料本身不再嵌入單獨(dú)的傳感器或電子設(shè)備，而是兼具結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)功能。研究人員表示，這種材料設(shè)計(jì)、架構(gòu)和預(yù)測(cè)模型的整合，或?qū)⒂兄�于推�?dòng)下一代多功能材料在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。

△示例性二維晶格幾何結(jié)構(gòu)及其參數(shù)：(a) S1a 對(duì)稱 BSB，(b)S1c 對(duì)稱 BSB，(c) S2c 部分對(duì)稱 BSB，(d) S3d 非對(duì)稱 BSB。圖片來自格拉斯哥大學(xué)。

自感知3D打印部件研究

除了格拉斯哥大學(xué)之外，馬德里胡安卡洛斯國(guó)王大學(xué)的研究人員也利用數(shù)字光處理 (DLP) 技術(shù)，通過用少量碳納米管 (CNT) 增強(qiáng)商用光聚合物樹脂，成功3D 打印出自感應(yīng)復(fù)合部件。這些納米管在材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使電導(dǎo)率提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

機(jī)械和應(yīng)變傳感測(cè)試表明，應(yīng)變與電阻之間存在清晰的線性關(guān)系，由于接近滲透閾值，較低碳納米管濃度下靈敏度有所提高。研究結(jié)果凸顯了DLP打印碳納米管復(fù)合材料在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中實(shí)現(xiàn)精確內(nèi)置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的潛力。

荷蘭Brightlands材料中心的研究人員使用Anisoprint Composer A4打印機(jī)將連續(xù)碳纖維直接集成到熱塑性基體中，開發(fā)出自感應(yīng)3D打印復(fù)合材料部件。他們的方法可以沿應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域精確放置纖維。

在測(cè)試中，一座人行天橋的比例模型顯示出施加的載荷與嵌入纖維的電阻變化之間存在明顯的相關(guān)性，證實(shí)了材料的自我監(jiān)測(cè)能力。這種方法簡(jiǎn)化了制造過程，并有望在假肢、橋梁和航空航天部件等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。