新加坡國立大學Zhai Wei和Lim Kian Meng課題組向南極熊投來稿件：基於(yu) 新型超聲場輔助的DLP 3D打印設計製備的超吸能非連續互穿相複合材料。

受到木材、骨小梁、蝴蝶翅膀和海洋生物骨架等自然界孔隙結構的啟發，人們(men) 設計了高孔隙率（通常孔隙率大於(yu) 70%）的固體(ti) 結構並稱之為(wei) 多孔結構。多孔結構具有輕質、高強的特點，並且在破壞過程中能夠保持較高的平台應力，兼具優(you) 異的能量吸收特性。然而，受到內(nei) 部高度開放的孔隙影響，結構之間在破壞時缺乏相互保護。為(wei) 了充分利用多孔結構應力平台區的變形模式，可以將多孔結構作為(wei) 複合材料中的增強相，製備互穿相複合材料（interpenetrating-phase composite，IPC）。然而，在設計IPC材料時，若采用樹脂與(yu) 樹脂複合形式將導致材料強度不佳，而采用樹脂與(yu) 金屬/陶瓷複合的形式又會(hui) 增加材料的密度。因此，上述兩(liang) 種設計方法均難以獲得理想的輕質材料。

為(wei) 了獲得高性能的複合材料，不僅(jin) 需要在材料設計方麵進行創新，還需要對製備方法進行改進。基於(yu) 物理場輔助定向自組裝樹脂3D打印技術是新一代複合材料的前沿製造技術，能夠對複合材料中填充的微結構進行精確控製。目前，可以通過電場、磁場、剪切場和超聲場輔助的形式實現填充物的定向自組裝。其中，超聲場利用駐波促使填充物運動，適用於(yu) 多數填充材料。

近日，基於(yu) 超聲場輔助的3D打印技術，研究人員提出了一種非連續互穿相複合材料，” discontinuous” IPC，簡稱為(wei) d-IPC材料。與(yu) 傳(chuan) 統IPC不同，d-IPC的中增強體(ti) 組元由非連續的顆粒組成。為(wei) 了製備d-IPC材料，研究人員首先對DLP 3D打印機進行了改裝，添加了超聲場輔助定向自組裝裝置（圖1）。
△Fig. 1: A schematic of the ultrasonic-DLP printing process and deriving the d-IPC.


接著研究人員對d-IPC材料進行了打印（圖2A）和實驗測試。實驗結果表明，與(yu) 純樹脂材料相比，含有1 wt%陶瓷顆粒的d-IPC材料經過優(you) 化後比能量吸收提高了37 J/g。此外，雖然d-IPC材料內(nei) 部陶瓷顆粒互不相連，但得益於(yu) 宏觀有序的組裝方式，材料強度高達68MPa。與(yu) 陶瓷顆粒含量相同但顆粒隨機排列的複合材料及輕質高強點陣結構相比，d-IPC材料具有明顯的優(you) 勢（圖2B）。

△Fig. 2: Illustration of the (A) as-printed d-IPC samples and (B) benchmarking materials used for comparisons.

通過對d-IPC材料的增強機理進行研究，發現增強主要來自於(yu) 有序組裝但非連續的陶瓷顆粒增強相，該增強相不會(hui) 導致材料強度的顯著降低，但能夠通過誘導局部漸近失效來對材料的大變形進行調控。由於(yu) 打印材料的開放性，超聲場輔助DLP 3D打印技術可推廣到含有不同材料、尺寸和形態的填充物與(yu) 樹脂基體(ti) 複合的材料製備中（圖3A、B），進一步發揮d-IPC材料的多功能應用潛力（圖3C）。
△Fig. 3: (A,B) Extended studies for a diverse range of particles and demonstrations of (C) multifunctionalities for enhanced thermal conductivity, magnetism, and microwave absorption.

總而言之，該項研究展示了使用超聲場輔助的DLP 3D打印技術開發新型複合材料的潛力，使得材料具有優(you) 異的能量吸收特性與(yu) 獨特的變形模式。該研究也為(wei) 未來複合材料吸能器設計提供了新思路。相關(guan) 研究成果發表於(yu) Applied Materials Today期刊，Li Xinwei博士為(wei) 論文第一作者，Lim Kian Meng副教授和Zhai Wei助理教授為(wei) 論文通訊作者。