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《AM》:连续3D打印微结构多功能材料

《AM》:连续3D打印微结构多功能材料

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-01-10 15:15
  • 访问量:

【概要描述】

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2022年12月20日新加坡南洋理工大学Hortense Le Ferrand等在《Additive Manufacturing》:上发表题为Continuous 3D printing of microstructured multifunctional materials(连续3D打印微结构多功能材料)的研究论文,开发了一种磁性直写(M-DIW)3D打印方法,采用这一方法所制备的复合材料和陶瓷材料具有可调的成分和微观结构,极大地拓展了复杂材料的设计空间。

原文链接:

//doi.org/10.1016/j.addma.2022.103373

  文章简介  

微结构材料不仅可实现我们所设计的局部性能,而且可使得整体性能增强。本研究开发了一种基于挤压的3D打印方法,称为磁性直写(M-DIW),使用低于100 mT的磁场连续打印高浓度局部定向的二维微粒材料。通过仔细设计墨水的粘度来实现打印,以允许同时挤压和微粒运动。通过调整微片的磁性功能,添加少量气相二氧化硅,并找到最佳固体载荷以获得低于45 Pa的屈服应力,从而实现这一效果。含有氧化铝和石墨微片的概念证明油墨在烧结后可以变成各向异性弯曲强度为100-150 MPa的陶瓷,或各向异性电导率为5-25 S/m的复合材料,例如可以使用M-DIW打印自成形陶瓷或磁控电器开关。

  研究内容解读  

材料中的微结构可以增强材料的性能。例如,在复合材料中定向的硬质内含物会在内含物方向上产生更高强度的各向异性。类似地,对准导电粒子可以产生各向异性的导电性。当内含物或颗粒浓度较高时,这些特性进一步增强,从而形成渗流网络。例如,高浓度定向BN微片导致复合材料沿定向方向具有超高热导率。
同样,在复合材料中定向陶瓷微片可以调整其机械性能,包括磨损、硬度、刚度等。甚至比单一取向更好的是,局部微结构材料可以触发其他特性,例如自成形、抗冲击性、强度和韧性的组合等等。这种复杂的微结构可以从大自然中获得灵感,并利用它来创造新的多功能材料。冷冻铸造、自组装、真空过滤、离心等多种方法已用于微结构材料。
然而,这些技术在局部组织控制和宏观成形方面受到限制,通常一种方法只能对某一种特定的成分、定向或形状有效。因此,我们需要一种更通用的技术,通过微观结构和3D技术来的结合以获得具有设计性能的各种成分的材料。
研究表明,M-DIW制备的复合材料和陶瓷材料具有可调的成分和微观结构,极大地拓展了复杂材料的设计空间。这一技术在机器人领域的应用前景非常广阔,例如,在机器人领域的执行器和传感器,以及在电子领域的超级电容器和电池领域。

图1 M-DIW策略。

图2 100 mT旋转磁场作用下mAl2O3微片的对准动力学。

图4 3D打印显微结构。

图5采用M-DIW法制备了微结构氧化铝陶瓷。

图6石墨基复合材料的M-DIW。

——END——

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