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可使用自我修复材料的3D打印机

独特的自我修复材料的潜在用途很多,从固定手机屏幕到电子器件再到生物医学应用。现在,来自南加州大学(USC)维特比工程学院的学生和教师研究团队创造了使用自我修复橡胶材料的3D打印机,可用于修复破裂的玩具、电子产品、软机器人、轮胎、甚至鞋底等等。

创想三维:可使用自我修复材料的3D打印机

为了制作这种材料,研究人员使用了一种采用光聚合的3D打印机方法,该方法使用光将液态树脂固化成所需的几何形状。研究人员在一篇名为“密封修复弹性体的添加剂制造”的论文中进一步解释了他们的工作,该论文最近发表在Nature杂志上。

摘要写道:“自我修复和3D塑形方面都表现出色;例如,可自行修复的人体器官具有功能几何形状和微观结构。然而,将人造自愈材料定制为复杂结构将面临重大挑战。在这里,我们报告了一种基于光聚合的添加剂制造的自由形态结构的自粘弹性体结构的范例。该范例依赖于分子设计的具有硫醇和二硫化物基团的光弹性体油墨,其中前者在3D打印过程中促进烯光聚合,后者在自愈过程中实现二硫化物复分解反应。”

我们发现硫醇和二硫化物基团之间的竞争决定了光弹性体的光固化速率和自愈合效率。用理论模型理解光弹性体的自愈合行为,该理论模型与实验结果很好地吻合。通过投影微光刻系统,我们展示了用于3D软驱动器,多相复合材料和架构电子设备的单材料和多材料自修复结构的3D打印技术

创想三维:可使用自我修复材料的3D打印机

与各种基于光聚合的添加剂制造系统兼容,光弹性体有望为制造结构开辟有前途的途径,其中自由形式的结构和有效的自我修复都是可取的。

在使材料自我修复时,团队必须对其化学进行一些深入的研究。您可以通过与硫醇化学基团的反应实现光聚合,硫醇化学基团可以通过添加氧化剂转化为二硫化物。用第二组化学物质制成的物体如果破裂就能自行改造,因此研究人员只需要找出正确的比例。

南加州大学维特比助理教授王启明解释说,“当我们逐渐增加氧化剂时,自愈行为变得更强,但光聚合行为变弱。这两种行为之间存在竞争。最终我们找到了能够实现高自愈和相对快速光聚合的比例。

该团队可以在短短五秒钟内从材料中用3D打印机打印出17.5毫米的正方形,并且可以在大约20分钟内制作整个物体。为了他们的研究目的,该研究由美国国家科学基金会和空军科学研究青年研究员计划办公室资助,该团队在几种产品上测试了这种能力,包括电子传感器,软机器人和鞋子垫等。

创想三维:可使用自我修复材料的3D打印机

一旦这些3D打印机制造的物品被切成两半,它们将在两小时后的60°C完全愈合,除了电子设备(由于传输电力碳需要4小时才能愈合)通过提高温度,维修将更快地进行,并且物体不仅将保留其功能而且还保持其强度。

南加州大学维特比学生和该研究的第一作者Kunhao Yu说道:“在不同的温度下,从40摄氏度到60摄氏度材料可以愈合到几乎100%。通过改变温度,我们可以控制愈合速度,即使在室温下材料仍然可以自愈。”

创想三维:可使用自我修复材料的3D打印机

这种自修复材料可以帮助减少制造时间,并提高各种行业的许多产品的耐用性和使用寿命。研究人员现在专注于制造各种硬度的自愈材料,从软橡胶到硬质塑料,有朝一日可用于修复复合材料,防弹衣和车辆部件等。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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