基于3D打印的仿甲壳结构材料精确可控制备及高性能研究

Lightweight structural materials with high hardness, toughness, stiffness are highly demanded in the aerocrafts, automobile, smart buildings and medical implant areas. It is one of the most important aspects of material science. The exoskeletons of crustaceans have high-performance mechanical properties. The unique hierarchical structure on micro and nano levels and Bouligand pattern gives inspiration for novel structural materials. This project aims to establish the method of precise control of micro structure and component by 3D printing，use the orderly stacking of short nanofibers/polymer composite fibers to mimic the exoskeleton of the crustaceans, and reveal the relationship between the hierarchical structure and the mechanical property of the material, which directs the way of optimizing the structure of the structural materials. It could also establish the ground of large-scale, green fabrication of bioinspired materials, and provide insights to engineering materials.

具有轻质、高强、高韧等特质的结构材料在航空航天、轻量化汽车、节能智能化建筑和医学植入技术等领域有着重要需求，所以一直是材料领域的研究重点之一。甲壳类动物的外骨骼具有优异的力学性能，其独特的纳米、微米上的多级有序结构以及Bouligand结构排布为新型结构材料的制备提供了新思路。本项目拟通过新兴的3D打印技术，建立精确控制材料局部微观形貌和化学成分的方法，利用纳米短纤维/聚合物复合纤维的有序排列还原生物原型的几何特征，制备仿甲壳多级结构材料，探索其多级有序结构作用机制及与力学性能的内在关系，建立基于仿甲壳结构材料力学性能优化的理论准则，反馈并指导材料的结构设计，确立仿生结构材料的最佳结构特征，形成精确、绿色制备仿生结构材料的新方法，为其实际应用奠定基础，并为工程材料提供新的设计理念。

具有轻质、高强、高韧等特质的结构材料在航空航天、软体机器人和医学植入技术等领域有着重要需求，所以一直是材料领域的研究重点之一。甲壳类动物的外骨骼具有优异的力学性能，其独特的多级有序结构以及Bouligand结构排布为新型结构材料的制备提供了新思路。本课题从仿生的角度出发，利用新兴的3D打印技术，模拟甲壳类动物外骨骼的独特的纳米、微米上的多级有序结构，获得了具有优异力学性能的新型轻质高强复合材料。首先，开发了利用包埋墨水直写3D打印方法进行仿甲壳结构的构造方法。对于硅橡胶材料，其粘度低，不能进行直接打印，通过引入支撑浴的方法，可以打印精确的仿甲壳结构；对墨水与支撑浴的流变性能进行了研究，支撑浴需要兼具对墨水的支撑性和在外力下的可流动性，而墨水需要具有剪切变稀行为，并且其储能模量需要大于支撑浴的储能模量一个数量级。其次，研究了3D打印参数对材料的打印精度的影响，对于固定的材料体系，增加打印压强、降低针头内径、提高针头移动速度可以提高打印精度、有效增强3D打印的效率。通过该方法打印了0°，15°，30°，45°，60°和90°偏转角的仿甲壳结构，研究发现仿甲壳结构的偏转角对材料的力学性能有重要影响，当偏转角较低时，材料具有优异的各向同性；而当偏转角为90°时具有明显各向异性。相比于未增强的材料，3D打印的仿甲壳结构材料同时提升了模量、断裂伸长率和韧性。具有0°和15°偏转角的复合材料的韧性较纯硅橡胶样品提高了50%，90°偏转角的仿生复合材料提高了87%。