美国凯斯西储大学研究人员3D打印出超弹性可控泡沫材料

sashui

3D打印技术因其无需模具、高度灵活的形状成型特点正在逐渐革新传统制造行业，并越来越广泛的应用于医药、汽车和电子等领域。但目前有限的可被打印材料阻碍了3D打印的进一步发展。泡沫弹性体在工业上广泛应用，将其作为3D打印材料是目前的技术难点。

近期，美国凯斯西储大学大分子科学与工程学院的在读博士陈岐嶷及Advincula教授首次采用3D打印技术成功制造出具有复杂结构、低密度、三重多孔结构、力学性能和密度可调控的超弹性泡沫，发表于国际顶尖杂志《先进功能材料》。超弹性泡沫由热塑性聚氨酯（TPU）构成。为了满足油墨直写打印技术的要求，TPU首先被溶解于DMF中，并加入了纳米黏土和硅纳米颗粒形成高粘度膏状流体。如图一所示，将打印得到的流体先后进行相分离、酸蚀处理，形成双重微米级别孔洞。结合3D打印出的毫米级别孔洞，得到结合三个不同尺度空洞的超弹性泡沫。

图一、3D打印及后处理过程。

如图二所示，多重孔洞结构中的每一级孔洞都可以进行简单且有效的控制。例如微米级别孔洞可通过控制TPU浓度和纳米黏土的加入量进行控制，而毫米级别孔洞可通过画图软件控制3D打印形态加以控制。此可控的多孔结构导致了可控的密度和力学表现，从而形成了趋于线性表现的强度-密度曲线。多重孔洞结构的引入不仅有效的降低了材料密度，由1 g/cm3降低至0.05 g/cm3, 而且将不可压缩的TPU材料转变为高可压缩的泡沫材料。

图二、(A)-（F）SEM显示下的微米级别双重多孔结构。（G）压缩测试示意图。（H）可控力学强度和密度形成的趋于直线的趋势图。

由图三所示，3D打印出的材料可被剧烈压缩至接近90%的形变，并在撤除压力后迅速回复到原始形态。通过循环压缩实验进一步显示了材料的超弹性性能。经历10次80%形变的压缩试验后，最高应力和应变损失仅为5%和6%。在经历了1000次的60%形变的压缩测试后，最高应力和应变损失也仅为2%和5%。材料的能量损耗和做功量也在第二次循环后开始稳定。如此优良的弹性表现一部分取决于TPU本身的优良弹性，更重要的是通过3D打印技术形成的多重孔洞结构。在微米级别上，大于20微米的开放性蜂巢孔洞结构提供了压缩形变所需的空间。在毫米级别上，3D打印出的纤维状多孔结构进一步为形变提供空间。这种开放性蜂巢加纤维状多孔结构的结合也为材料提供的非常出色的力学强度。泡沫材料可以承受超过自身重量20000倍的重量并且没有任何结构破坏以至在撤除重量后能迅速回复原始状态。

图三、（A）10次80%形变压缩实验应力-应变曲线图。（B）多次90%形变压缩-恢复视频实时截图。（C）10次压缩应变实验以后的最高应力保持和应变损失图。(D) 10次压缩应变实验以后的做功量和能量损失图。（A）1000次60%形变压缩实验应力-应变曲线图。（F）1000次压缩应变实验以后的最高应力保持和应变损失图.

超弹性泡沫在学术以及工业界有多种应用。研究者展示了通过表面涂覆碳纳米管, 可3D打印具有导电能力的高弹性CNT泡沫。由图四所示，导电弹性泡沫可被作为压力感应器。由于多重孔洞提供的巨大的表面积，以及泡沫材料自身的力学响应，以此形成的压力感应器具有非常明锐的压力感应能力。

图四、表面涂抹CNT后泡沫的压力感应测试。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201800631