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皇冠正网平台出租:“小火慢炖”可将3D 打印聚合物转化为更坚固、延展性强的混合碳微晶格材料

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开发一种既坚固又具有高延展性的轻质材料一直被认为是结构材料领域的一个长期目标,但这些性能通常是相互排斥的。然而,香港城市大学(CityU)的研究人员最近发现了一种低成本、直接的方法,可以将常用的3D打印聚合物转化为轻质、超韧、生物相容性的混合碳微晶格,这种微晶格可以是任何形状或大小,强度是原来聚合物的100倍。研究团队认为,这种创新的方法可以用于创建复杂的3D零件,具有定制的机械性能,适用于广泛的应用,包括冠状动脉支架和生物植入物。


超材料是一种被设计成具有天然材料所没有的特性的材料。三维构建的超材料,如微晶格,结合了轻量化结构设计原则的优点及其组成材料的固有特性。制造这些微晶格通常需要先进的制造技术,如增材制造(通常称为3D打印),但3D打印可用材料的范围仍然相当有限。

“3D打印正在成为一种无处不在的技术,用于生产具有独特和可调属性的几何复杂组件。坚固和坚韧的架构组件通常需要金属或合金来进行3D打印,但由于商用金属3D打印机和原材料的高成本和低分辨率,它们不容易获得。聚合物更容易获得,但通常缺乏机械强度或韧性。我们发现了一种方法,只要在适当的条件下加热,就能将这些更弱、更脆的3D打印光致聚合物转化为超韧的3D结构,堪比金属和合金,这是令人惊讶的。”城市大学机械工程系(MNE)和材料科学与工程系(MSE)教授杨路说,他领导了这项研究。


一种在不影响延性的前提下提高强度的新方法


到目前为止,提高这些3d打印聚合物晶格强度的最有效方法是热解,这是一种将整个聚合物转化为超强碳的热处理方法。然而,这一过程剥夺了原来的聚合物晶格几乎所有的变形能力,并产生了一种极其脆弱的材料,如玻璃。其他提高聚合物强度的方法通常也会损害其延展性。


卢教授领导的团队在3d打印的光致聚合物微晶格的热解过程中发现了一种“神奇”的条件,这导致了强度增加了100倍,并使原始材料的延展性增加了一倍。他们的发现发表在科学杂志《物质》上,标题为“轻量级、超坚韧的3D架构混合碳微晶格”。


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他们发现,通过仔细控制加热速率、温度、持续时间和气体环境,可以在一个简单的步骤中同时大幅提高3d打印聚合物微晶格的刚度、强度和延展性。


通过各种表征技术,该团队发现,只有当聚合物链通过缓慢加热实现“部分碳化”时,才有可能同时提高强度和延展性。在这种情况下,聚合物链不完全转化为热解碳,产生一种松散交联聚合物链和碳碎片协同共存的杂化材料。碳碎片作为增强剂增强材料,而聚合物链限制复合材料的断裂。


聚合物与碳碎片的比例也是获得最佳强度和延展性的关键。如果有太多的碳碎片,材料变得脆,如果有太少,材料缺乏强度。在实验中,该团队成功地创造了一种最佳的碳化聚合物晶格,其强度超过原来聚合物晶格的100倍,延展性超过原来聚合物晶格的两倍。

除了提高机械性能之外的好处


研究小组还发现,与原始聚合物相比,这些“杂化碳”微晶格显示出更好的生物相容性。通过细胞毒性和细胞行为监测实验,他们证明了在杂交碳微晶格上培养的细胞比在聚合物微晶格上培养的细胞更有活力。杂化碳晶格生物相容性的增强意味着部分碳化的好处可能不仅仅是提高机械性能,还可能改善其他功能。


陆教授说:“我们的工作提供了一种低成本、简单和可扩展的方法,来制造几乎任何几何形状的轻质、坚固和延展性机械超材料。”他设想,这种新发明的方法可以应用于其他类型的功能聚合物,而这些构建的混合碳超材料的几何灵活性将允许它们的机械性能为广泛的应用量身定制,例如生物医学植入、微型机器人的机械坚固支架、能源收集和存储设备。


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