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3D打印具有微晶格结构的超材料

3D打印具有微晶格结构的超材料

供稿人:陈义,鲁中良   发布日期:2018-04-27
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固体材料在受热时通常会膨胀,因为温度的升高会导致原子间键的伸长,而原子间键的伸长在宏观尺度上表现为体积膨胀。同理,当固体材料遇冷时,会发生相应的收缩。现阶段,有大量固体材料应用在光学仪器、航空航天设备等高精尖技术上,材料的这种热胀冷缩行为会降低设备的结构稳定性和可靠性。显然,固体材料的这种特性不利于生产和使用要求。

由美国劳伦斯利物莫尔国家实验室(LLNL)、麻省理工学院(MIT)、南加州大学、加州大学洛杉矶分校科学家合作,首次3D打印出受热收缩的全新超材料。 MIT力学工程教授方绚莱带领的研究团队承担了该研究的3D打印部分的工作,成型原理如图1a所示。团队采用的是显微立体光刻3D打印技术,类似喷墨打印机和数字曝光机的结合。先将不同材料的液滴喷在一个透明窗口上,再通过数字投影机把图案分别投射在需要固化的液滴背面。被光照过的区域就形成固体片状结构,附着在一个样品支架上,窗口上没有曝光的液滴则被清除。如此反复,可以得到所需的晶格结构。

图1 成型设备及展示图

这种微晶格具有负膨胀系数,其设计灵感来自于具有八面体原子结构耦合运动机制的负膨胀系数材料。从每个单元来看,新结构类似斜拉桥的设计,只是伸缩性好的钢筋换成了相对柔软的树脂,刚度大的横梁变成了掺铜纳米颗粒的树脂(图1b和1e)。因不同材料受热时相对位移不同,受热时柔软的树脂先伸长,直到加固的横梁也被拉动,使得连接点处向内拉伸,带动整个晶格结构向内拉伸(图1c和1f)。总体上看,整个空心的点阵结构就呈现收缩,从而表现出独有的热收缩特性。成型的晶格结构二维图如1d和1f所示。

晶格结构变形原理图如图2所示,在图2a中展示了这种微晶格结构的关键节点,图2b中标明关键节点的两条分叉变形路径,并结合图2c中,通过比较掺有不同质量分数铜的树脂材料热应力变形,来确定铜纳米颗粒的添加量。这个新型结构在降温后还可恢复之前体积,能反复使用。

图2 微晶格成型原理图

受热发生变化的树脂仍然遵循了热胀冷缩的常识,但是独特的结构设计给观察者呈现出相反的视觉效果,该研究成果适用于制造在温度变化较大的环境中工作的精密部件,如遇热胀冷缩产生焦距漂移的光学镜头、微芯片和高精光学仪器等,这种超材料将具有广泛的应用前景。

参考文献:

  1. Wang Q, Jackson J A, Ge Q, et al. Lightweight Mechanical Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion [J]. Physical Review Letters, 2016, 117(17): 175901
  2. 胡福文,程佳剑,超材料3D打印制造技术研究综述,工业技术创新,2017,4(4)
  3. http://tech.sina.com.cn/d/i/2016-10-27/doc-ifxxfysn7841398.shtml;