Adv. Mater: 3D打印高刚性&韧性多核壳架构网格

【引言】

尽管最近在轻质材料的设计和制造方面取得了一些进展，但是制备兼有高刚度和高韧性的结构材料仍然存在许多挑战，因为这些性能常常是相互排斥的。天然材料通过在多个尺度上结合不同的增韧机理克服了这些限制。为了提高断裂韧性，需要能量吸收机制来增加临界裂纹在失效前拉伸长度。然而，将这种类型的机制引入到网格体系结构中非常困难，因为构建复杂的支撑体结构十分具有挑战性。

【成果简介】

近日，瑞士苏黎世大学的Kristina Shea和哈弗大学的Jennifer A. Lewis（共同通讯作者）报道了一种用于制造由核壳（C-S）支柱构成的建筑网格的新方法，借助于挤出成型的3D打印技术，研究人员得到了同时具有高硬度和韧性的三维结构。由核壳支柱构成的这些架构网格包含具有柔性环氧核-脆性环氧壳结构单元的各向异性正交支柱，用柔性核-弹性壳界面薄壳单元生产的架构晶网格同时表现出了高刚度和高韧性。相关研究成果以“Architected Lattices with High Stiffness and Toughness via Multicore–Shell 3D Printing”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图一 多核壳喷嘴的示意图和打印所用墨水的流变学性质图

（a）连接到核心的同轴打印头，接口和外壳油墨容器的光学图像

（b）C-S打印头的横截面示意图

（c）从C-S喷嘴中共同挤出的柔性环氧芯（红色），弹性体硅氧烷界面（蓝色）和脆性环氧壳（灰色）油墨的相对应的假彩色光学图像。

（d,e）这些C-S喷嘴的端视图，与传统设计相比，缩回的内部通道可以实现更高的分辨率

（f）外喷嘴直径与多核壳打印头同轴印刷材料数量的函数关系图，其清楚地证明了缩回设计的优点

（g）使用多核壳打印头可以系统地改变d / D比和界面层厚度，同时保持印刷丝状支柱的外径

（h,i）柔性环氧核（红色），弹性硅氧烷界面（蓝色）和脆性环氧壳（灰色）油墨的表观粘度对数-剪切速率的函数关系图，剪切应力与储能模量的函数关系图[比例尺=200μm]

图二 C-S支柱的设计及其性能

（a）三点弯曲测试以及支柱上相应的应力分布示意图

（b）不同断裂应变值对应计算所得的支柱直径与相对偏转的相干关系，其表示断裂应变所需要的最大预测值

（c）测试不同材料的应力-应变行为，计算ε= 0.24时的应变能量吸收最大化的优化组合。（由红色曲线表示）

（d）C-S和C-I-S支柱（横截面和侧视图）的示意图，这表明了弹性界面层减轻了从脆性环氧壳到挠性环氧树脂芯的裂纹扩展[比例尺=200μm]

图三 单个支柱的机械性能

（a）仅由壳和芯材料单独组成的支柱的脆性和弹性行为

（b）C-S支柱因脆性断裂而失效

（c）C-I-S支柱能够阻止裂纹扩展到其核心。小芯（左）的支柱壳层完全失效，而大芯的支柱只有部分失效

（d）在C-I-S支柱中的裂纹扩展随着从左至右的应变依次增加

（e,f）在不存在界面层的情况下，印刷和固化期间，在C-S环氧树脂层之间发生扩散，如分级界面区域（400μm厚）所反映的那样，并且相应地从脆性环氧壳体到柔性环氧核壳的杨氏模量降低

（g）具有不同成分和d/D比的代表性支柱的载荷-位移响应

（h）对于不同d/D比率的单个C-S和C-I-S支柱测量的有效模量，UTS和能量吸收曲线显示了对于AD /D≈0.85的C-I-S支撑物的能量吸收显着上升

图四 架构网格

（a）整个格子的倾斜视图

（b）跨越晶格内的特征间隙的印刷支柱的近视放大图

（c）由C-I-S支柱构成的格子的横截面图[比例尺= 1mm]

（d）放大率更高的示例性图像，脆性（黑色，左），C-S（绿色，中心）和C-I-S（蓝色，右）支柱[比例尺= 0.2mm]

（e）在不同压缩状态下的C-I-S晶格的光学图像显示出层状失效，这是典型的该晶胞类型（比例尺= 8mm）的弹塑性材料

（f）如（D）所示，与脆性环氧树脂，柔性环氧树脂和C-S支柱组成的晶格相比，先前显示的C-I-S晶格的应力—应变曲线

（g）界面层阻止了裂纹通过支柱芯（假蓝色）的传播，阻止了壳体的破裂

【小结】

本文通过3D打印印制了由多核壳支柱构成的架构网格，其同时兼备高硬度和高韧性两大优点。通过结合多种可打印材料和定制的同轴喷嘴，研究人员证实了可具有支柱组成和几何可控结构的三维结构可以通过多核壳直接墨水书写来设计和打印。本文报道的这种方法可以很容易地扩展到更加复杂的支柱设计和网格几何形状，并用于需要同时优化刚性和机械性能的结构应用。

文献链接：“Architected Lattices with High Stiffness and Toughness via Multicore–Shell 3D Printing” (Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201705001)

本文由材料人编辑部新人组黄新月编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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