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仿生有序纤维增强材料场辅助3D/4D打印及其性能研究

李冰倩  
【摘要】:经过长期优胜劣汰,生物材料进化出许多人工材料难以比拟的卓越性能,如轻而强、强而韧及自适应等。生物材料的核心特征是高效率,能以最小的物质消耗,获得最优化的性能,实现超高的比强度。为了实现高效增强,生物材料采用的构建策略往往是选择性的增强(特定区域、方向性和特定指标),从而减轻重量提高效率。与人造材料依靠成分固有特性不同,生物往往采用材料内部微结构设计实现性能的调控。结构设计赋予材料各向异性和选择性增强特性,从而产生几乎无穷多的变化来满足纷繁多样的性能和功能需要。发展高效仿生材料,需要学习生物材料根据工况和服役条件利用材料结构选择性增强材料特性的策略。生物材料的结构由各种增强单元(多糖纤维、矿物层片等)组成,以精巧的结构设计形成复杂的空间排列,如纤维螺旋排列的人字形结构、层片累积的砖泥结构等。传统制造手段主要是塑造材料外部形状,缺少对材料内部组织的调控能力,很难制造复杂的空间变化有序排列的仿生材料。由于其自下而上的逐点添加材料累积成型的特点,3D打印技术除了可以制备复杂几何形状外,还具有对材料内部组织结构的调控能力。3D打印材料的性质在打印过程中形成,该特性使利用工艺参数调控材料内部组织结构获得所需性能成为可能。4D打印是3D打印的智能材料结构,在适当的外部激励下(如温度、光照和湿度等)可以产生预先编程的几何形状或理化性质的改变。如何控制4D打印预编程变化,是4D打印技术的关键。借鉴生物运用材料组织结构控制变形的方法,如松塔利用定向纤维产生各向异性实现鳞片的开合,是4D打印编程的重要手段。本文将场组装技术与3D打印技术相结合,开发了用于仿生有序结构材料制造的3D和4D打印工艺,包括基于光固化和粉末床工艺的磁场组装3D打印工艺、流场组装3D打印工艺以及挤出式流场组装3D打印工艺,并研究了打印参数、材料性质对增强粒子定向性能的影响,获得了优化的工艺参数和打印材料配方。运用开发的打印技术和仿生设计策略,打印了仿生结构启发的增强材料和变形材料。同时,研究了3D打印仿生结构增强材料力学性能、变形特性与材料内部组织结构和打印参数之间的关系,为制备仿生材料提供了可靠的技术支撑,并为进一步探索和验证生物材料的结构-性能关系提供了基于试验的科学理论依据。本文具体研究内容主要包括以下4个方面:(1)以探索和验证生物材料的结构-性能关系为目的,针对不同的材料系统和目标结构,分别开发了基于光固化工艺的磁场组装、流场组装3D打印工艺及挤出式流场组装3D打印工艺,并分别对三种工艺的成型原理、系统组成和工艺流程进行了详细的阐释。其中,磁场组装4D打印工艺定向自由度大、定向精度高,但仅适用于磁响应粒子。在磁场的动态诱导作用下,增强粒子可以根据磁场运动形成可调取向程度和取向角度的排列。试验探索了磁场强度、打印层厚与纤维定向程度的关系并进行了定量表征;粉末床流场组装3D打印工艺适用于固含量较高的黏稠材料,在刮刀机械诱导的作用下,增强粒子可沿运动方向定向排列。试验探索了该工艺层厚、增强粒子含量与粒子定向程度的关系并进行了定量表征;流场组装3D打印工艺可利用针头内壁的剪切诱导力使粒子定向,无需对粒子功能化处理且定向程度和精度较高,在挤出过程中可使聚合物晶畴由无序随机分布变为有序定向排列。试验探索了打印速度、打印气压和针头直径对打印样条直径的影响,并定量表征了针头直径和粒子定向程度的关系;(2)采用粉末床流场组装3D打印工艺,制备了机械仿生结构材料,研究了材料机械特性和仿生结构设计之间的关系。该工艺可以通过流场的动态诱导作用来调控局部微结构,具有高效率、材料选择范围广等优点。粒子不需要功能化(磁化、极化等),并可打印高黏度、高固含物材料。采用数学模型分析了纤维在机械诱导定向过程中的剪切原理,确定了材料层厚、纤维长径比、纤维含量等参数对纤维取向程度的影响规律。以具有高抗冲击特性的螳螂虾钳部正弦和人字形结构为蓝本进行仿生设计,运用粉末床流场组装3D打印技术及纤维增强材料制造了仿生机械增强材料。研究了纤维含量、纤维长径比及排列结构对材料压缩特性和抗冲击性能的影响,揭示了纤维空间排列与材料机械特性之间的关系,提出了有序微结构增强材料的仿生设计方法;(3)采用粉末床磁场组装4D打印工艺,制备了仿生变形结构材料,研究了仿生结构设计与变形特性之间的关系。该工艺可以通过磁场的动态诱导作用来调节磁性纤维局部微结构,具有定向程度大、精度高等优点,可实现纤维排列方向动态可控、取向程度无级可调。研究讨论了磁条高度、磁条移动路径与纤维定向程度、取向方向之间的关系,并用数学模型与试验结果进行了验证,为设计局部各向异性的仿生材料提供了设计依据。以受环境刺激产生动态变化的松塔鳞片、麦芒、软木树枝等生物原型进行仿生设计,运用磁场组装4D打印工艺及智能响应材料制造了包含仿生结构设计的形状记忆材料。研究了纤维排列角度和定向程度对形状记忆聚合物复合材料应力驱动变形和形状记忆特性的影响,建立了仿生结构设计和形状记忆特性之间的内在关系。运用纤维结构与变形特性的关系,4D打印了自闭合花朵、顺序展开机械手及梯度展开触手等试样,为4D打印在软体机器人的精确控制、药物载体的顺序释放和卫星的智能展开等领域提供了理论依据;(4)采用挤出式流场组装4D打印工艺,制备了仿生变形结构材料,研究了仿生结构设计、工艺参数与变形特性之间的关系;提出了变工艺参数4D打印方法,即在打印过程中通过改变打印参数来调控材料性质。该方法只使用单一材料就可以实现对材料性质的局部调控,并可以产生梯度结构和渐变性能。试验探索了工艺参数、仿生结构与液晶弹性体材料的液晶单畴定向程度及打印试样变形特性之间的关系。研究发现,打印速度对液晶定向程度产生显著影响,速度越高定向程度越大;打印路径决定液晶弹性体变形方式,通过打印路径的设计,可产生弯曲、扭转和卷曲等变形。研究采用了两种理论模型解析了打印速度调控变形的内在机制。此外,通过调整特定区域的打印速度的分布和打印路径的设计,实现了多种形式的变形,如突弹跳变、自组装和自振荡等。利用梯度的打印速度编程实现了对性能的渐变控制,如蛇形卷曲等。运用试验与仿真相结合,对多种变形的试验结果进行了进一步验证。运用打印参数控制4D打印的方法,利用了4D打印工艺的固有特性,拓展了4D打印编程空间。


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