Utskrift av hierarkiska termotropiska LCP:er med hjälp av fused deposition modellering. a) korta stavliknande polymerkedjor bildade av en aromatisk slumpmässig sampolymer bestående av de stela monomererna p-hydroxibensoesyra och 2-hydroxi-6-naftosyra, b) de stela och ofullständigt orienterade polymerstavarna är inriktade längs samma riktning n i smältan, felinrikta θ mot regissören för att bilda en nematiskt ordnad domän, c) den kvasi-isotropa massan av polymeren bildades via lokalt anpassade nematiska domäner med slumpmässigt orienterade direktörer, d) under extrudering genom det uppvärmda munstycket (vid temperatur TN med diameter dN), direktörerna utsattes för skjuvkrafter av förlängning som kan omordna polymerer i smältan och rikta in styrarna längs extruderingsriktningen, e) en gång extruderad, materialet började förlora sin orientering samtidigt som stelningsfronten frös den nematiska ordningen att placera, med början från ytan. De resulterande effekterna bildade en kärna-skalstruktur med ett högt inriktat skal med tjockleken λN, f) avsättning av material på en yta på höjd h främjade ytterligare inriktning av direktören i utskriftsriktningen för att bilda en kärna-skal-struktur med olika skaltjocklek på grund av distinkta kylningshastigheter för luft, glas och polymersubstrat. [THB:temperatur för den uppvärmda bädden/substratet; TRT:omgivningens temperatur (rumstemperatur); VE:extruderingshastighet; VP:utskriftshastighet; w:utskriftsbredd; λA:tjockleken på huden i linje med luften; λH:tjockleken på huden i linje med den uppvärmda bädden/substratet], g, h) kedjeändarna kan tvärbinda kemiskt via termisk glödgning för att öka molekylviktsspänningsöverföringen mellan filamenten. Kreditera: Naturens brev doi:10.1038/s41586-018-0474-7.
Biologiska material från ben till spindelsilke och trä är lätta fiberkompositer arrangerade i en komplex hierarkisk struktur, bildad genom riktad självmontering för att demonstrera enastående mekaniska egenskaper.
När sådana bioinspirerade styva och lätta material vanligtvis utvecklas för applikationer i flygplan, bilar och biomedicinska implantat, deras tillverkning kräver energi och arbetsintensiva tillverkningsprocesser. De tillverkade materialen uppvisar också spröda frakturegenskaper med svårighet att forma och återvinna, i skarp kontrast till naturens mekaniska egenskaper. Befintlig polymerbaserad tillverkning av lättviktsstruktur är begränsad till 3D-utskrift, med dålig mekanisk styrka och orientering, medan mycket orienterade styva polymerer är begränsade till att konstruera enkla geometrier. I ett försök att kombinera friheten av strukturell formning med molekylär orientering, 3D-utskrift av flytande kristallpolymerer utnyttjades nyligen. Även om önskvärda formförvandlingseffekter uppnåddes, Young's modul för de mjuka elastomererna var lägre än högpresterande flytande kristall syntetiska fibrer på grund av deras molekylära struktur.
För att fullt ut utnyttja formningsfriheten hos 3D-utskrift och gynnsamma mekaniska egenskaper hos molekylärt orienterade flytande kristallpolymerer (LCP), ett team av forskare vid Institutionen för material, ETH Zürich, föreslog ett nytt tillvägagångssätt. Strategin följde två designprinciper som används i naturen för att bilda tuffa biologiska material. Initialt, anisotropi uppnåddes i utskriftsprocessen via självmontering av LCP-bläcket längs utskriftsbanan. Därefter, Den komplexa formningskapaciteten som erbjöds av 3D-utskriftsprocessen utnyttjades för att skräddarsy den lokala styvheten och styrkan hos strukturen baserat på miljöbelastningsförhållanden. I studien, Silvan Gantenbein och medarbetare visade ett tillvägagångssätt för att generera 3D-lättvikt, återvinningsbara strukturer med hierarkisk arkitektur och komplexa geometrier för oöverträffad styvhet och seghet. Resultaten är nu publicerade i Natur .
Egenskaper hos det nya materialet uppstod från självmontering av flytande kristallpolymermolekyler till högorienterade domäner - uppnått under extrudering av råmaterialmaterialet. Att orientera de molekylära domänerna med utskriftsbanan förstärkte polymerstrukturen för att möta de förväntade mekaniska påfrestningarna. Resultaten ledde till utvecklingen av material med styrka och seghet som överträffade toppmoderna 3-D-tryckta polymerer, jämförbar med de högsta prestanda lättviktskompositer som hittills konstruerats. Studien visade förmågan att kombinera top-down 3D-utskrift med bottom-up molekylär kontroll av polymerorientering, öppnar möjligheten att fritt designa och tillverka strukturer som kringgick typiska restriktioner för den befintliga tillverkningsprocessen.
Genom struktur, de styva molekylsegmenten av aromatiska termotropa polyestrar kunde självmontera till nematiska domäner vid temperaturer högre än materialets smälttemperatur. Polymersmältsträngsprutning genom 3-D-skrivarmunstycket gav upphov till skjuvnings- och förlängningsflödesfält som riktade de nematiska domänerna i flödesriktningen. En temperaturgradient bildades därefter mellan den kalla ytan av glödtråden och dess varma inre för snabb kylning vid ytan, orsakar stelning i det flödesinriktade arrangemanget. Polymerkedjor som fanns i det inre av filamentet upplevde långsammare kylning för att omorientera, drivs av termisk rörelse. Som ett resultat, de extruderade filamenten hade en kärna-skalstruktur i vilken en högt inriktad hud omsluter en mindre orienterad kärna. Hudens tjocklek berodde på filamentets diameter och driftstemperaturen.
LCP-filamentegenskaperna korrelerar med utskriftsförhållandena, a) skanningselektronmikroskopi i falsk färg av det dragtestade vertikala filamentet bekräftar en kärna-skalstruktur. Kärnan i fibern är fortfarande intakt vilket indikerar att skalet på LCP är den styvare fasen, b) polariserad ljusmikroskopi av ett 100 µm tvärsnitt bekräftar närvaron av kärnan-skalstrukturen i de vertikala (b) och horisontella (c) filamenten, vilket indikeras av den mer intensiva belysningen av huden på de tryckta filamenten jämfört med kärna, d) Röntgendiffraktionsmätningar bekräftar en högre andel av orienterade polymerer i tunnare prover. Ungarnas modul beräknades därefter för proverna vid olika förhållanden. Kreditera: Naturens brev doi:10.1038/s41586-018-0474-7.
Effekten av utskriftsparametrarna på den slutliga kärn-skal-arkitekturen bestämdes med hjälp av en enkel analytisk värmeöverföringsmodell. Författarna använde optisk mikroskopi och röntgenspridningsexperiment för att bekräfta den mycket justerade hudstrukturen. Kärna-skalfilamenten visade betydande mekanisk styrka och elasticitetsmodul, i motsats till tidigare studier som använde fused deposition modeling (FDM). Youngs modul för materialet förlitade sig på produktionen av filament som var tunnare än munstycksdiametern för att effektivt förbättra styvheten och styrkan hos de tryckta materialen. Ytterligare faktorer inklusive tillverkningstemperaturen, lagerhöjd, molekylära tvärbindningar och glödgningstid påverkade Youngs modul för de tryckta materialen.
Forskarna observerade flera spänningstoppar för spännings-töjningsmätningar under materialkarakterisering som liknade härdningsmekanismer för biologiska material som ben. Detta krediterades den termiska behandlingsprocessen för att förbättra tvärbindningarna mellan filamenten för spänningsöverföring; förhindrar delaminering genom sprickfångande mekanismer. Den höga segheten hos de glödgade laminaten ansågs komma från hierarkisk tvärbindning av makromolekyler och filament.
Materialkonstruktionen möjliggjorde självmontering och hierarkiska makromolekylära tvärbindningsstrategier via lager-för-lager-tillverkning för att replikera bioinspirerade designprinciper. Högpresterande laminat med högre hållfasthet och Youngs modul utan dämpningsförlust uppnåddes genom att ställa in fiberorienteringen så att den bäst matchar spänningslinjerna genom hela den mekaniskt belastade strukturen. Den efterföljande produkten visade egenskaper utan motstycke i lättviktsmaterial.
Karakterisering av de mekaniska egenskaperna och komplexa geometrin hos 3D-tryckta LCP-laminat och delar:a) mekanisk respons under spänning upptäckt för en exempel LCP-laminatplatta med ett centralt hål för att framhäva de förbättrade egenskaperna hos en trådliknande arkitektur utformad för att följa spänningslinjerna som utvecklas inom det laddade materialet, b) töjningskartor med öppna hål mätta med digital bildkorrelation strax före brott, c) Ashby-diagram som visar den specifika styvheten och specifika hållfastheten (vänster) och dämpningsegenskaperna (höger) hos LCP jämfört med andra isotropa motsvarigheter samt alternativa toppmoderna polymerer eller förstärkta kompositmaterial (σ:styrka; ρ:densitet; ABS:akrylnitril-butadienstyren; CFRP:kolfiberförstärkt polymer; GFRP:glasfiberförstärkt polymer; PEEK:polyeter-eterketon; PLA:polymjölksyra), d, e) exempel på 3D-utskrivna LCP-delar med komplexa fiberarkitekturgeometrier:d) slagtålig struktur av Bouligand-typ med tvinnad plywood-arrangemang av tryckta fibrer och e) biomedicinskt implantat med en lokal lagerförbättring där utskriftslinjerna programmerades för att följa den principiella spänningsriktningen runt hålen. Kreditera: Naturens brev doi:10.1038/s41586-018-0474-7.
De tryckta LCP:erna överträffade befintliga materialtyper inklusive förstärkta polymerer och kontinuerliga fibertryckta kompositer för att matcha styvheten och styrkan hos kolfiberförstärkta polymerer. Ytterligare funktioner i processen inkluderar återvinningsbarhet, automatiserad tillverkning och lägre koldioxidavtryck. 3D-utskriftsteknikerna och den föreslagna additivteknologin möjliggjorde produktionen av applikationsspecifika komplexa geometrier. Författarna föreställer sig att det kommer att vara möjligt att uppnå oöverträffade nivåer av hierarkisk strukturell komplexitet för lättviktsmaterial genom att kombinera 3-D-utskriftsbaserad vägkontroll, tillsammans med avstämbar orientering av självmonterade byggstenar i bläcket. Strategin öppnar för möjligheten att tillverka strukturer som kan uppfylla olika krav som ett hållbart material med ett cirkulärt liv.
© 2018 Phys.org
