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3D打印仿生结构复合材料

3D打印仿生结构复合材料

供稿人:徐文梁,鲁中良   发布日期:2017-11-17
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自然界中很多天然生物材料具有特殊的结构及优异的力学性能,受到了研究者的广泛关注。人们希望通过向自然学习,模仿天然材料的微观结构,利用人工方法得到性能优异的仿生材料。

基于分层累加成型原理的3D打印技术对于复杂结构成形具有很大优势,为仿生结构复合材料的合成提供了新的方法。有研究者采用3D打印技术,成功打印出鲍鱼贝壳、雀尾螳螂虾的钳子、哺乳动物骨骼等特定结构的仿生陶瓷/树脂复合材料,见图1。

图1 3D打印的仿生材料微观结构

该研究采用的3D打印技术主要基于面曝光式光固化成型方法,通过磁场控制陶瓷增强颗粒的取向,来得到具有特定微观结构的仿生陶瓷/树脂复合材料。由于陶瓷颗粒表面经过处理,吸附有纳米氧化铁微粒,因此其取向能够被磁场有效控制。打印的基本步骤为:首先按照设计结构将每层分区,通过磁场控制层内陶瓷增强颗粒取向,同时将特定区域进行曝光固化;然后变换磁场,再将其他区域分别固化,直到该层打印结束;自上而下逐层打印,最终获得实体。通过对曝光位置及磁场的巧妙的控制,可以使每层的陶瓷增强颗粒在不同的区域具有不同取向,因此可获得多种微观结构(图2)。

图2 打印工艺示意图

这种3D打印方法不仅可以用来制备具有仿生结构的陶瓷/树脂复合材料,更可以实现陶瓷/树脂复合材料宏观及微观的定制成型。

参考文献:

  1. Martin J J, Fiore B E, Erb R M. Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing[J]. Nature Communications, 2015, 6:8641.