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受蜘蛛网启发,研究人员开发出3D打印的防震材料

编辑:admin 更新时间:2020-11-24 浏览次数:171

蒙特利尔理工大学机械工程系的研究人员,使用3D打印设计了一种织物,最多可吸收96%的冲击力而不会破裂。

这个团队是从蜘蛛网的自然特性中汲取了灵感,通过加热聚碳酸酯(PC)制成胶粘剂,为易碎设备制造了耐用的3D打印覆盖物。选择PC材料是因为它在通过熔融丝材制造(FFF)3D打印机挤出时粘度低。

将来,这种3D打印材料可以用于制造防弹玻璃,甚至可以应用于航空领域,作为飞机发动机的保护涂层。

制造3D打印的防冲击材料

研究人员对PC进行加热以制造这种材料,就像加热聚合物一样,它会成型为类似于蜂蜜的粘性粘合剂,可用于复制蜘蛛网。

研究人员使用了熔融丝材制造(IFFF)3D打印机来创建透明且吸收冲击的3D打印材料。在IFFF过程中,PC被部分熔化,然后快速挤出到打印平台上。

FrédérickGosselin教授的团队加热了PC,并“编织”了一系列厚度不足2mm的纤维。重复该过程,并以90°角3D打印多根纤维,直到整个“纤维网”固化为止。在此过程中,熔融塑料会形成圆圈,形成一系列环。根据Gosselin教授的说法,这些环将变成牺牲链,在打印后,这些环赋予纤维额外的强度。

她补充说:“发生撞击时,这些牺牲环节会吸收能量并断裂,以维持纤维的整体完整性-类似于丝绸蛋白。”

△团队从蜘蛛网中汲取了灵感,通过加热聚碳酸酯制成胶粘剂,为易碎设备制造了耐用的3D打印覆盖物,图片来自蒙特利尔理工大学

测试防碎材料的强度

这项研究的目的是在微观尺度上开发一种机制,创建一种新型的冲击吸收纤维,该纤维可以释放大量能量而不会破裂。

为此,报告调查了材料的纤维在缠绕时的行为。进行了冲击测试,以查看将3D打印材料嵌入玻璃窗格是否可以防止其碎裂。结果表明,材料不会在某些地方变形,而不会破碎,但塑料薄片的整体形状将保持完整。

当团队想看看它是否可以接住自由落体的棒球时,人造蜘蛛网经过进一步的测试,将500克棒球从66厘米高处掉落到冲击测试仪上。

测试突出了棒球与材料接触时的影响。在撞击下,棒球的动能在很大程度上被牺牲性纽带的断裂和其隐藏长度的展开所消散。结果显示出与蜘蛛网相同的能量耗散机制。

这项研究的更多细节可以在Cell Reports Physical Science杂志上发表的标题为 “Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite,” 中找到。它由FrédérickGosselin教授,Daniel Therriault教授和博士生Shibo Zou共同撰写。

△团队希望了解3D打印材料是否可以抓住自由落下的500克棒球,棒球从66厘米高处掉落到冲击测试仪上,图片来自蒙特利尔理工大学

来源:南极熊3D打印网

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