格拉斯哥大学3D打印自传感碳纳米管材料，有望用于医疗和航空领域

颗粒在线讯：2022年5月11日，格拉斯哥大学领导的一个研究小组已经开发出一种可3D打印的碳纳米管基塑料材料，能够自我感应到自身结构变化的信号。

据报道，这种新型材料的开发灵感来自于自然界中发现的蜂巢、海绵和骨骼等多孔细胞形态，它比同类传统材料更坚韧、更牢固、更智能，可以在医学、假肢、汽车和航空航天设计中找到新的应用，这些领域都需要具有自我感应能力的低密度、坚韧材料。

格拉斯哥大学詹姆斯-瓦特工程学院的ShanmugamKumar博士说："在如何平衡特性和结构以创造高性能轻质材料方面，大自然有很多东西可以教给工程师。我们从这些形式中获得灵感，开发了我们的新细胞材料，与传统生产的同类材料相比，这些材料具有独特的优势，可以进行微调以操纵其物理特性。"

△3D打印的纳米工程设计。图片来自格拉斯哥大学。

3D打印碳纳米管

碳纳米管于1991年首次被发现，此后因其理想的机械性能而声名鹊起。碳纳米管被誉为“比钢强一百倍、比钻石硬、比铜导电一千倍”，在一系列潜在的重要工业中都具有应用潜力，如电子和水净化过滤器，并可用于开发具有卓越机械、热和导电性能的复合材料。

迄今为止，碳纳米管材料已被用于3D打印形状记忆聚合物、软体机器人，以及3D打印生物相容性组织支架。

尽管有这样的前景，但利用碳纳米管进行3D打印仍有一些挑战。其中一个挑战是打印过程中碳纳米管纠缠在一起时通常会出现“意大利面效应”，尽管来自莱斯大学的研究人员已经开发出一种新型溶剂，可以克服这一障碍，并使碳氢化合物的工业3D打印规模扩大。

在其他地方，位于亚利桑那州的初创公司Mechnano认为其自己的碳纳米管3D打印材料技术可以为航空航天、国防、医疗和汽车行业带来 "巨大的变化"。

△相对密度为30%的3D打印细胞结构。图片来自先进工程材料。

自传感材料

将传感能力整合到材料中对于监测结构的原位变形状态或损伤状态是非常有用的。例如，自感应网格可用作智能康复辅助设备和软体机器人的材料结构，其中感应、控制和驱动对提高机器人功能的效率至关重要。

为了开发出新型材料，格拉斯哥大学团队将一种普通的聚丙烯（PP）工业塑料与碳纳米管结合起来，创造出一种据说比同类传统材料更坚韧、更强大、更智能的材料。

将碳纳米管整合到原本不导电的塑料中，使其在整个结构中携带电荷，在受到机械负荷时发生变化。这被称为压阻率，并使该材料具有感知自身结构健康的能力。

利用这种新型材料，研究小组调查了三种不同的3D打印纳米工程设计的能量吸收和自我感应特性，其灵感来自于自然界中发现的蜂巢、海绵和骨骼等多孔材料。

利用FFF增材制造工艺，研究人员创造了一系列具有中尺度多孔结构的复杂设计，以生产出轻量化和高机械性能的设计。

库马尔说："我们选择的聚丙烯无序共聚物具有更强的可加工性，更好的耐温性，更好的产品一致性，以及更好的冲击强度。碳纳米管有助于使其具有机械强度，同时赋予导电性。我们可以在设计中选择多孔的程度，并设计多孔的几何形状，以提高特定质量的机械性能。"

△在不同阶段的压缩载荷变化图。图片来自先进工程材料。

满足行业对自感应部件的需求

研究人员共测试了三种不同形状的多孔设计，并发现一种立方体形状的"板状"结构表现出最有效的机械性能和自感应能力的结合。

当受到单一的压缩作用时——既不增加也不减少的持续压缩，网格结构显示出与相同密度的泡沫镍相似的能量吸收能力。据报道，该结构还优于其他几种类似密度的传统材料。

在观察了他们的3D打印设计的增强机械性能后，该团队认为其智能材料可以在医学、假肢、汽车和航空航天设计中找到新的应用。

研究人员说，随着这些领域越来越注重轻量级工程，人们会有源源不断的动力来开发具有优良质量特性的低密度格子。在这些领域中，该团队认为这款新材料可以满足对具有自我感应能力的低密度、坚韧材料日益增长的需求。

△PPR/CNT细胞结构的能量吸收能力与最先进的能量吸收细胞结构的比较。图片来自先进工程材料。

库马尔补充说："像这样的轻质、坚韧、自感应材料在实际应用中具有很大的潜力。例如，它们可以帮助制造更轻、更有效的汽车车身，或者为有脊柱侧弯等问题的人提供背架，能够在他们的身体没有得到最佳支持时发出感应信号。它们甚至可以用来为电池创造新形式的结构化电极。“

关于这项研究的更多信息可以在《先进工程材料》杂志上发表的题为："通过增材制造实现纳米工程自感应格子的多功能性/Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabledby additive manufacturing"的论文中找到。该研究的共同作者是J. Ubaid、J. Schneider、V. Deshpande、B. Wardle和S. Kumar。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200194