2023年7月30日，韩国崇实大学机械工程学院和嘉川大学机械工程系的研究人员在《Materials & Design》上发表题为Correlating atomistic characteristics of zeolites to their 3D-Printed Macro structural properties for prediction of mechanical response的研究论文，报道了对沸石的原子特征和3D打印宏观尺度进行了相似性和相关性分析，以研究沸石在不同尺度上的结构特征和力学性能之间的关系。
//doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112189
研究简介
为了设计具有目标力学性能的结构，了解力学特性与结构参数之间的关系至关重要。本研究探讨了原子结构和实际3D打印沸石结构之间力学行为的相似性。选择沸石结构是因为它具有多种结构参数，如孔径、分布和几何形状等。分子动力学(MD)模拟证实了在原子结构和3D打印宏观结构的力学响应中观察到类似的行为。使用韧性热塑性聚氨酯(TPU)材料的3D打印件显示出与微结构级模拟的高度一致。沸石结构的力学可响应根据其线性度和与外加应变有关的特性进行分类，以预测机械超材料的潜在应用。研究人员进一步对结构特征和力学性能进行对比分析，将应力变化与密度、孔隙度、角度和键长等因素联系起来。该研究表明，使用原子水平的结构设计自由度可以实现具有机械响应的超材料设计。
研究内容解读
本文对沸石的微观和宏观尺度进行了相似性和相关性分析，以研究沸石在不同尺度上的结构性质之间的关系。图1中展示了3D打印多孔沸石结构作为晶格结构单元的潜力。将沸石细胞扩展成2 × 2 × 2的单体，并选择几种立方体结构进行压缩试验。压缩试验使用MD模拟和增材制造的样品进行，目的是观察沸石结构在微观和宏观长度尺度上的屈服、弹性模量和能量吸收。这项研究的结果或将为各种应用的沸石基材料的设计和优化提供有价值的见解。
图3 3D打印(PLA)沸石结构压缩试验结果(红色圆圈表示初始断裂)。
图4 3D打印(TPU)沸石结构压缩试验结果。
图5 表征沸石结构的特征间的相关性。
图6 初始密度与(a)压应力、(b)杨氏模量、(c)能量吸收的散点图。
图8 MD模拟中应力、角能和键能(纵轴)与应变(横轴)的相关性分析:(a) NPT;(b)LTA;（c） MEP;（d）ACO。
研究结论
本研究通过MD模拟和压缩实验研究了沸石结构的超材料的力学性能，探索了MD模拟的压缩结果与沸石的结构、局部和多孔特征之间的相关系数。研究结果证实了沸石密度、孔隙度和力学性能之间的高度相关性。最后分析了键能和角能对应力响应的贡献，结果表明，由于角能变化较大，初始应力会相应增大。然而，当应变大于40%时，研究人员观察到键能迅速增加，角能下降，从而导致应力显著增加。该研究将有助于通过将原子行为与宏观响应联系起来，利用沸石结构的设计空间来寻找具有特征的机械超材料。
中国九游会科技在售的陶瓷3D打印机可制备多种复杂结构，包括陶瓷多孔结构及精细薄膜结构，依托独家600—1000层/小时的超高打印速度，帮助你快速打印出超复杂结构。
