具有高機械性能與自感測功能之3D列印多孔質構造體

 

刊登日期:2022/8/1
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由英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)主導的國際研究團隊從自然界的構造獲得啟發,開發了一項新型3D列印材料。透過將一般工業用塑膠與奈米碳管結合,不僅輕量耐用,且具有自感測(Self-sensing)功能,可望廣泛應用於醫療、航太等各領域。

蜂巢、海綿、骨頭等自然界中的多孔質材料具有輕量且耐用的特徵,人類也從中得知許多透過平衡特性與結構以製造高性能輕量化材料的知識。研究團隊則利用可高精度控制的熱熔線材成型(Fused Filament Fabrication; FFF)方式3D列印裝置,製作了多個含有中規模多孔質結構的複雜構造體。

長絲線材係由聚丙烯隨機共聚物(Polypropylene Random Copolymer)與多層壁奈米碳管(Multi-wall Carbon Nanotubes)所組成,因此成功地在減輕整體重量的同時,將機械特性提高至最大限度。聚丙烯隨機共聚物具有優異的加工性、溫度耐性、製造一貫性、衝擊強度,而奈米碳管則賦予了導電性與機械強度。

透過與奈米碳管的結合,可為塑膠增加導電性,當對構造體施加機械負載時,會產生一種電阻發生變化的「壓阻效應(Piezoresistance Effect)」現象。利用此機制,即可利用3D列印製作出兼具輕量性與堅固性,並可「感測」結構健康度的構造體。

研究團隊列印並比較了3種類型的結構,發現帶有平面網格的立方體構造呈現了機械性能與自感測能力的最有效組合。另在壓縮後,網格構造顯示出與同樣相對密度之發泡鎳(Nickel Foam)相同的能量吸收能力,且優於相同密度的複合桁架網格(Composite Truss Lattices)或環氧樹脂蜂巢結構。

新多孔質材料具有前所未有的獨特性質,可透過微調操縱物理特性,故可望為醫藥、義肢、汽車、航太等領域帶來新的應用可能性,例如可感測安裝狀態的輔具,或是製造更輕量且高效能之車用能量吸收保險槓、新的電池電極形狀等。


資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/220630_nature-inspired-self-sensing-materials.html
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