仿生界面异构性:3 d打印纤维增强复合材料具有高强度和韧性

3 d打印技术是一个关键技术,人们普遍预计这将创建下一代材料韧性增加,高强度,轻功能材料为各种应用程序。亚博网站下载

研究表明,材料与仿生结构设计使用3 d印制技术将给他们杰出的强度和韧亚博网站下载性性能。一篇论文发表在先进的科学亚博老虎机网登录探讨了这个问题。

研究:突出加强和3 d打印的纤维增强复合材料的增韧行为设计的仿生界面的异质性。图片来源:sspopov / Shutterstock.com

制作3 d印刷复合材料与仿生智能特性

在最近几十年里已经有重要的研究专注于创造3 d印刷复合特性,物理和机械性能有所改善。自然结构显示广泛的精美详细的结构,在生物系统中扮演各种各样的角色。在生物组织结构包括多孔结构,高度有组织的纤维结构,和2 d平面结构。

自然结构如器官、骨头、甲壳素和壳数百万年的进化在以适应特定的功能。模仿他们在合成系统已经证明历史上困难,还有最近仿生智能材料和结构领域的长足的进步。亚博网站下载设计真正的仿生合成结构将为他们提供改进的性能,如强度、低密度,和韧性。

研究力量的同时改进策略、刚度和韧性从独特的建筑通过类比分层结构化自然材料。亚博网站下载)示意图说明3 d打印SFRP复合材料显示纤维组件层级结构由个人中间丝,使用嵌入式微米大小的纤维。b)的详细说明自然微/ macrofibril层次结构的生物材料。亚博网站下载c)的扫描电子显微镜图像顺序添加剂体系结构的3 d打印的复合材料结构层次结构:1)嵌入式微米纤维、ii)中间丝矩阵,和iii)的层次结构。d) Process-induced自发的纤维排列。3 d印刷导致高度的材料印刷方向取向,尤其是嵌入式纤维的排列方向达到的高度_zz= 0.9 (Z方向取向价值)。e)贡献附着力异构系统的仿生韧性行为。f)复合材料的界面粘附是高度依赖于关键嵌入纤维长度;发生的纤维拉拔力机制,主要是为l < l_c和纤维断裂机制,发生主要为l > l_c。应力部位的资料显示,代表曲线当纤维①大于l_c和②不到我_c。σ_f的极限抗拉强度是纤维。附着力强g),有效的实现了纤维和矩阵之间的界面的治疗方法。h)之间的附着力弱inter-filaments自发来源于低inter-diffusion聚合物链的接口。图片来源:于S et al .,先进的科学亚博老虎机网登录

最近的研究利用3 d印刷。3 d打印技术可以制造材料优越的取向和多层次的复杂的亚博网站下载架构。此外,它是一个低成本、环境友好的过程。这些方法提供了一个路线向材料优越的性质,组成和结构。亚博网站下载

最近成功3 d印刷领域的仿生结构的制造seashell-inspired结构。电辅助印刷过程是用来制造高定向石墨烯与聚合物nanoplatelets致命的材料。研究结果表明一个健壮的材料seashell-like超出预期的力学性能。

附着力强的材料设计和纤维之间的矩阵。一)O的形成₂/ Ar等离子induced-polar组在纤维表面。插图描述纤维表面化学成分的变化前后血浆治疗。b)形成亲水性接枝功能性分子聚合物矩阵。插图显示的机理ST-assisted MAH的接枝聚合。(参见图S1,支持信息,详细的机制。)c)复合粘度(η*、Pa * s)的熔融复合材料的频率。d)储能模量(G′)和损耗模量(G)曲线的频率。e)代表三维层析图像分层SFRP复合材料的3 d打印技术引发的内在过程。f, g)合层析图像对比效应的流变改性复合材料内部微观结构的内容根据10、20、30、40 wt % f) PLA-g-MAH PLA-g-STMAH和g)。(大量的孤立的内部孔隙的形成是由于加工条件差并伴有显著改变粘度)。图片来源:于S et al .,先进的科学亚博老虎机网登录

创建仿生智能复合材料结构与界面使用3 d打印方法异构性问题

这项研究发表在先进的科学亚博老虎机网登录一直专注于工业原料的使用。亚博网站下载关注的具体材料是纤维增强复亚博网站下载合材料。短纤维增强复合材料被广泛的使用在一些工业应用前景和这些材料显示创建高度实用的功能架构。亚博网站下载这些材料是有亚博网站下载吸引力的,因为他们拥有多尺度层次微观结构。

使用这些材料可以帮助实现亚博网站下载一些有趣的层次结构由良好结合的中间丝印刷方向以及高度面向短纤维为印刷提供加固结构。由于这些因素,这些复合材料显示高度各向异性的力学行为与沿着最优方向强度显著增亚博网站下载加。

这些复合材料具有独特的结构,是唯亚博网站下载一由印刷的过程。此外,他们可以理解的灵感来自自然的结构。自然的比较,可以得出各向异性力学行为的竹子。在这种天然材料,骨折显示特定模式,与竹纤维的取向显著影响裂缝发展。

大多数研究已经认识到积极影响的力量,强化强化元素的高度取向的3 d打印纤维复合材料。该研究的作者表示,3 d打印技术,通过精确地调整纤维取向,可以制作复杂的微观结构。这决定了印刷复合材料的机械强度。

不完美的界面孔隙形成挤压3 d印刷通常是不可取的。这可以影响分层和裂纹扩展。然而,在仿生智能材料和表面工程的背景下,这未必是一个缺点。亚博网站下载,尽管它可以不受欢迎的。战略合并空洞的加载路径可以帮助实现工程解决方案,使效果如裂纹削弱和印刷复合材料裂纹偏转。

详细说明3 d打印的层次代表失效机理的男朋友/ PLA / PLA-g-STMAH复合材料。)三维层析图像显示在每个拉伸加载序列渐进破坏过程;初始状态(0),(我)首先加载序列,(2)第二次加载序列,(3)第三负载序列和(iv)最终失败。b)变形和断裂过程的全面描述。图片来源:于S et al .,先进的科学亚博老虎机网登录

研究了复合材料的界面

迄今为止,大多数研究都集中在这些复合材料的结构施工中没有给出太多考虑接口材料。亚博网站下载通过不同的方法,研究先进的科学亚博老虎机网登录提出关键问题等不同结构元素之间的联系接口fiber-filament和fiber-fiber接口。

研究背后的作者提出了一个协同机制增强3 d印刷复合材料的力学性能具有界面异构性问题。亚博网站下载帮助界面空洞的存在和高度对齐纤维材料的行为一样自然模拟结构。

独特的韧性和强度性能产生的合成复合材料。亚博网站下载分层接口之间的界面异质性提高材料的韧性。

此外,3 d印刷复合材料中给出的研究显示属性如伸长速率和刚度以及强度和韧性。材料的优化体系结构配置可以被比作自然结构,使这些复合材料优越的仿生智能印刷材料,可以使用在许多应用程序需要优越的物理和机械性能。

进一步的阅读

Yu et al。(2021)突出加强和3 d打印的纤维增强复合材料的增韧行为设计的仿生界面的异质性(在线)先进的科学亚博老虎机网登录| onlinelibrary.wiley.com。可以在:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103561

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