Adv.Mater：3D列印高剛性＆韌性多核殼架構網格

【引言】

儘管最近在輕質材料的設計和製造方面取得了一些進展，但是製備兼有高剛度和高韌性的結構材料仍然存在許多挑戰，因為這些性能常常是相互排斥的。天然材料通過在多個尺度上結合不同的增韌機理克服了這些限制。為了提高斷裂韌性，需要能量吸收機制來增加臨界裂紋在失效前拉伸長度。然而，將這種類型的機制引入到網格體系結構中非常困難，因為構建複雜的支撐體結構十分具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，瑞士蘇黎世大學的Kristina Shea和哈弗大學的Jennifer A. Lewis（共同通訊作者）報道了一種用於製造由核殼（C-S）支柱構成的建築網格的新方法，藉助於擠出成型的3D列印技術，研究人員得到了同時具有高硬度和韌性的三維結構。由核殼支柱構成的這些架構網格包含具有柔性環氧核-脆性環氧殼結構單元的各向異性正交支柱，用柔性核-彈性殼界面薄殼單元生產的架構晶網格同時表現出了高剛度和高韌性。相關研究成果以「Architected Lattices with High Stiffness and Toughness via Multicore–Shell 3D Printing」為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一 多核殼噴嘴的示意圖和列印所用墨水的流變學性質圖

（a）連接到核心的同軸列印頭，介面和外殼油墨容器的光學圖像

（b）C-S列印頭的橫截面示意圖

（c）從C-S噴嘴中共同擠出的柔性環氧芯（紅色），彈性體硅氧烷界面（藍色）和脆性環氧殼（灰色）油墨的相對應的假彩色光學圖像。

（d,e）這些C-S噴嘴的端視圖，與傳統設計相比，縮回的內部通道可以實現更高的解析度

（f）外噴嘴直徑與多核殼列印頭同軸印刷材料數量的函數關係圖，其清楚地證明了縮回設計的優點

（g）使用多核殼列印頭可以系統地改變d / D比和界面層厚度，同時保持印刷絲狀支柱的外徑

（h,i）柔性環氧核（紅色），彈性硅氧烷界面（藍色）和脆性環氧殼（灰色）油墨的表觀粘度對數-剪切速率的函數關係圖，剪切應力與儲能模量的函數關係圖[比例尺=200μm]

圖二 C-S支柱的設計及其性能

（a）三點彎曲測試以及支柱上相應的應力分布示意圖

（b）不同斷裂應變值對應計算所得的支柱直徑與相對偏轉的相干關係，其表示斷裂應變所需要的最大預測值

（c）測試不同材料的應力-應變行為，計算ε= 0.24時的應變能量吸收最大化的優化組合。（由紅色曲線表示）

（d）C-S和C-I-S支柱（橫截面和側視圖）的示意圖，這表明了彈性界面層減輕了從脆性環氧殼到撓性環氧樹脂芯的裂紋擴展[比例尺=200μm]

圖三 單個支柱的機械性能

（a）僅由殼和芯材料單獨組成的支柱的脆性和彈性行為

（b）C-S支柱因脆性斷裂而失效

（c）C-I-S支柱能夠阻止裂紋擴展到其核心。小芯（左）的支柱殼層完全失效，而大芯的支柱只有部分失效

（d）在C-I-S支柱中的裂紋擴展隨著從左至右的應變依次增加

（e,f）在不存在界面層的情況下，印刷和固化期間，在C-S環氧樹脂層之間發生擴散，如分級界面區域（400μm厚）所反映的那樣，並且相應地從脆性環氧殼體到柔性環氧核殼的楊氏模量降低

（g）具有不同成分和d/D比的代表性支柱的載荷-位移響應

（h）對於不同d/D比率的單個C-S和C-I-S支柱測量的有效模量，UTS和能量吸收曲線顯示了對於AD /D≈0.85的C-I-S支撐物的能量吸收顯著上升

圖四 架構網格

（a）整個格子的傾斜視圖

（b）跨越晶格內的特徵間隙的印刷支柱的近視放大圖

（c）由C-I-S支柱構成的格子的橫截面圖[比例尺= 1mm]

（d）放大率更高的示例性圖像，脆性（黑色，左），C-S（綠色，中心）和C-I-S（藍色，右）支柱[比例尺= 0.2mm]

（e）在不同壓縮狀態下的C-I-S晶格的光學圖像顯示出層狀失效，這是典型的該晶胞類型（比例尺= 8mm）的彈塑性材料

（f）如（D）所示，與脆性環氧樹脂，柔性環氧樹脂和C-S支柱組成的晶格相比，先前顯示的C-I-S晶格的應力—應變曲線

（g）界面層阻止了裂紋通過支柱芯（假藍色）的傳播，阻止了殼體的破裂

【小結】

本文通過3D列印印製了由多核殼支柱構成的架構網格，其同時兼備高硬度和高韌性兩大優點。通過結合多種可列印材料和定製的同軸噴嘴，研究人員證實了可具有支柱組成和幾何可控結構的三維結構可以通過多核殼直接墨水書寫來設計和列印。本文報道的這種方法可以很容易地擴展到更加複雜的支柱設計和網格幾何形狀，並用於需要同時優化剛性和機械性能的結構應用。

文獻鏈接：「Architected Lattices with High Stiffness and Toughness via Multicore–Shell 3D Printing」 (Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201705001)

本文由材料人編輯部新人組黃新月編輯，趙飛龍審核。

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