華盛頓州立大學：3D打印磁性纖維增強復合材料，有望用于軟體機器人
時間：2022-02-19 21:09 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2022年2月18日，來自美國華盛頓州立大學的研究人員研制出含均勻分散磁性顆粒的光固化樹脂，并通過數字光處理技術制備出磁性纖維增強聚合物基復合材料。具有選擇性纖維取向的纖維增強聚合物基復合材料（FRPCs）可用于生物結構、智能材料和能源設備等領域，磁場輔助大桶光聚合是制備這類復合材料的理想方法，但現有3D打印用樹脂中磁性顆粒的分散穩定性較差，導致打印過程中磁性顆粒分布不均勻。
磁場輔助大桶光聚合的一個主要問題是顆粒在樹脂體系中的分散不穩定，這導致了樹脂成分和分散顆粒之間的分離，并導致打印過程中顆粒分布不均勻。
在這項研究中，研究人員分別采用剛性甲基丙烯酸酯類聚合物和彈性丙烯酸酯類聚合物作為基體；以磁鐵礦顆粒為磁性顆粒，選用兩種不同偶聯劑對磁性顆粒進行表面改性，使其含有能與聚合物基體建立弱范德華鍵的官能團，以提高顆粒在樹脂中的分散穩定性；將硅烷化反應下的表面改性的磁鐵礦顆粒通過超聲分別添加到兩種樹脂中，形成兩種磁性顆粒-樹脂混合物，通過數字光處理技術制備出磁性纖維增強聚合物復合材料。
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析被用來選擇匹配的硅烷化合物組成，并驗證每種樹脂混合物中處理過的磁鐵礦顆粒的功能。通過對樹脂混合物的視覺觀察和顯微鏡圖像的分析，驗證了所開發的樹脂系統的分散穩定性。為了給所開發的樹脂系統的3D打印提供一個更好的指導，研究了含有不同顆粒成分的每個樹脂系統的固化深度。設計了拉伸試驗，以了解顆粒含量、取向和表面處理對3D打印FRPCs的機械性能的影響。
這項研究的結果表明，通過對磁鐵礦顆粒進行表面處理，可以開發出一種優化的顆粒-樹脂體系，并帶有功能團。具體而言，隨著磁性顆粒含量增加（0.2~4%wt.），復合材料的楊氏模量逐漸增加；打印過程中使用磁場會在沿磁場方向形成短顆粒鏈，從而改善復合材料的力學性能。據了解，這種磁性纖維增強聚合物基復合材料有望用于軟體機器人、永磁體、電動機等。
圖1.本研究中涉及的流程圖
圖2. (a)表面處理過的顆粒和(b)重新處理過的顆粒的制備過程。
圖3. (a)研究顆粒樹脂系統固化動力學的流程圖，(b)CAD模型和(c)3D打印的4號樣品案例，研究100μm層高的臨界曝光時間。
圖4. (a)定制的打印機設置，(b)添加到定制的3D打印機中的亥姆霍茲線圈的示意圖，用于在樹脂桶中產生均勻的磁場，用于增材制造拉伸測試樣品，(c)本研究中使用的厚度為2毫米的拉伸測試樣品的幾何形狀。圖中的坐標系代表了拉伸試驗中的粒子方向。
圖5. (a) 甲基丙烯酸酯硅烷處理的磁鐵礦顆粒的FTIR分析 (b) 丙烯酸酯硅烷處理的FTIR分析
圖6. 經處理的顆粒樹脂系統的固化深度，當暴露在10秒的紫外線下時，（a）彈性樹脂和（b）UHR樹脂。實驗和理論上的臨界曝光時間之間的比較，以(c)彈性樹脂和(d)UHR樹脂作為聚基體的處理過的粒子-樹脂系統達到100微米的固化深度。
圖7 沉淀和時間序列固化試驗的結果。(a)
在一段時間內觀察由處理過的顆粒和未處理過的顆粒組成的樹脂系統，發現含有處理過的顆粒的樹脂中顆粒沉淀較少。(b)和(c)光學顯微鏡圖片來自厚度為0.3毫米的樣品，通過固化沉淀樣品的頂部部分獲得。較深的圖片顯示了沿著樣品的顆粒含量較多。(d)和(e)通過固化沉淀樣品獲得的0.3毫米厚度樣品的平均灰度值的顯微鏡圖像。較高的灰度值對應于較淺的顏色和較低的顆粒含量。(f)
通過使用(e)中的灰度值和我們以前工作中介紹的模型[41]，估計UHR樣品中顆粒的重量分數。
圖8 拉伸試驗的結果。(a)和(b)彈性和UHR樹脂系統的楊氏模量，以及(c)和(d)彈性和UHR樹脂系統的斷裂伸長率。
這項研究的更多細節可以在題為 "Particle-resin systems for additive manufacturing of rigid and elastic magnetic polymeric composites"的論文中找到。
相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042100734X
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