谷研究 l 一种通过3D打印创建的超硬轻质聚合物材料

| 3DScienceValley · 2019/11/17

有高抗冲击强度和承重能力的轻质材料被认为是材料设计中的圣杯。在自然界，具有优化、复杂几何形状的软有机材料融合了这些互补的特性。根据3D科学谷的市场观察，莱斯大学的研究人员通过3D打印实现了一种轻质的多孔聚合物结构，与实心材料相比具有更强的抗冲击性。

来源：莱斯大学

抗高速冲击的轻质结构

莱斯大学（Rice University)的研究人员在一篇超硬轻质材料的研究论文中，报道了三种被称之为“微管”的3D打印聚合物结构，这些3D打印微管是交联的碳纳米管的结构类似物，具有压缩变形和抗弹道冲击特性。研究测试结果表明，宏观的3D打印微管材料是高承载、超高速抗冲击的轻质结构，它们从纳米到宏观尺寸展示出由有序的多孔结构所引起的层状变形机制。

与实心聚合物立方体相比，莱斯大学创建的3D打印多孔聚合物结构能够更好地处理子弹的撞击。
来源：莱斯大学

研究团队进行了微管烷烃嵌段的计算机模拟，并将放大的材料结构用3D打印制造出来，然后通过承受压碎力和加速子弹的方式进行测试。

3D打印聚合物块状结构充满着微孔，测试表明它们比相同材料的实心立方体具有更强的抗冲击性。在研究实验中，研究小组以每秒5.8公里的速度将子弹发射到带有微孔的3D打印结构与实心聚合物立方体中。子弹被卡在3D打印结构的第二层，在该层之外未观察到明显的结构损伤，但是以相同速度发射的子弹导致整个实心立方体产生裂纹，裂纹在实心立方体的整个结构中传播。研究团队还在实验室压机上进行了测试，测试结果揭示了3D打印多孔结构如何使材料自身塌陷而不会破裂。

研究团队在材料领域的Small 杂志所发表的论文中指出，这一发现可以产生具有可调机械性能的任何尺寸的3D打印结构。研究人员表示，这种结构的独特特性来自于复杂的拓扑结构，而拓扑结构不受尺寸限制，拓扑控制的增强或改善承载能力也可能对其他结构设计有意义。

优化材料的晶格设计将为航空、汽车、体育、包装和生物医学应用提供更好的材料。类似的3D打印结构可用于金属、陶瓷和聚合物材质，制造时仅受打印机尺寸的限制。研究中涉及的3D打印微管材料，潜在应用跨越了许多行业，例如石油和天然气行业可将其用于制造井口的坚韧耐用结构，在水压下承受冲击力。

研究团队的论文“3D Printed Tubulanes as Lightweight Hypervelocity Impact Resistant Structures” 发表于2019年11月11日的Small 期刊中。

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