受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)！3D打印透明復(fù)合材料可保護(hù)手機(jī)屏

魔猴君  行業(yè)資訊   1440天前

據(jù)悉，許多安全關(guān)鍵的工程系統(tǒng)需要具有高沖擊吸收的透明材料。現(xiàn)有的透明韌性復(fù)合材料具有更高的抗沖擊性，但由于沖擊吸收能力差，經(jīng)常會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的失效。來(lái)自蒙特利爾工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)2020年10月28日在《 Cell Reports Physical Science》上提出了一種使用3D打印技術(shù)制造透明的沖擊吸收復(fù)合材料，該復(fù)合材料再現(xiàn)了蜘蛛絲中涉及犧牲鍵和隱藏長(zhǎng)度的增韌機(jī)制，可吸收多達(dá)95.6％的沖擊能量，而且不會(huì)斷裂。這一創(chuàng)新，為創(chuàng)造牢不可破的塑料外殼鋪平了道路。

Graphical Abstract圖形摘要

自然界的美麗景象經(jīng)常令人驚嘆，鼓舞著我們獲取靈感。從自然界獲取的靈感會(huì)促使人們利用新近發(fā)展的增材制造技術(shù)將其付諸實(shí)踐。來(lái)自自然的美麗景象，尤其是自然界巧奪天工的結(jié)構(gòu)，不僅僅指自然界的結(jié)構(gòu)具有完美的曲線和獨(dú)特的有機(jī)體結(jié)構(gòu)，而且還指其具有獨(dú)一無(wú)二的功能和性能，甚至是多功能的性能。在大約超過(guò)38億年的進(jìn)化過(guò)程中，自然界的生物已經(jīng)經(jīng)過(guò)物競(jìng)天擇的過(guò)程而形成了獨(dú)特的功能性結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)要么由有機(jī)體本身所決定的，要么由外部環(huán)境所決定的。向大自然的這一結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，可以優(yōu)化提升工程中的實(shí)際應(yīng)用效果，甚至可以幫助我們解決實(shí)際工程中遇到的問題，而且這還是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的解決辦法。

蜘蛛網(wǎng)是由它們的編織者進(jìn)化而來(lái)的，用來(lái)耗散捕獲獵物時(shí)產(chǎn)生的巨大動(dòng)能。與肌腱等其他堅(jiān)韌的生物材料只有10%的吸收能量消散，90%作為彈性能量?jī)?chǔ)存在材料中不同，蜘蛛網(wǎng)吸收的能量有高達(dá)70%消散在系統(tǒng)之外。蜘蛛網(wǎng)主要通過(guò)分子鍵的斷裂、熵的增加以及徑向線的內(nèi)部發(fā)熱來(lái)消散能量。因此，在卸載時(shí)釋放的彈性能被最小化，以避免昆蟲在撞擊后被擺動(dòng)的網(wǎng)彈射出去。徑向線中的能量耗散歸因于絲原纖維納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由β片狀納米晶體和半非晶域組成（圖1A）。拉伸后，半非晶域中氫鍵的斷裂和蛋白鏈的解開有助于較大的擴(kuò)展性和高能量耗散。這就是所謂的犧牲鍵和隱藏長(zhǎng)度(sacrificial bonds and hidden lengths, SBHL)機(jī)理。這種耗能機(jī)理的變化形式已經(jīng)成功地應(yīng)用于水凝膠和彈性體，從而導(dǎo)致高達(dá)85％的高滯后性。研究人員試圖在微觀尺度上擴(kuò)大這種分子水平的機(jī)制，以制造出可以吸收大量能量并像蜘蛛網(wǎng)一樣捕獲彈丸的新型沖擊吸收結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(圖1B)。

↓↓↓圖1. 受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的透明減震復(fù)合材料的設(shè)計(jì)↓↓↓

▲圖1a. 蜘蛛網(wǎng)捕捉飛行獵物的示意圖。蜘蛛網(wǎng)的高能量耗散是由絲狀原纖維納米結(jié)構(gòu)中的β片狀納米晶體和半非晶域引起的。后者包含具有鏈內(nèi)和鏈間氫鍵的高度可擴(kuò)展的蛋白質(zhì)鏈。在張力作用下，半非晶域內(nèi)氫鍵的斷裂解開了蛋白質(zhì)鏈的隱藏部分，從而增加了蜘蛛絲的可延展性和韌性。

▲圖1b. 受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的，透明的、吸收沖擊的復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)五次反復(fù)的沖擊后，能捕捉到自由落體的棒球。棒球的重量為0.5千克，并從落鏢沖擊試驗(yàn)機(jī)上從0.66米的高度掉落。沖擊前后復(fù)合材料的圖像顯示出犧牲鍵的斷裂和隱藏長(zhǎng)度的展開，再現(xiàn)了蜘蛛絲的耗能機(jī)理。

受到蜘蛛網(wǎng)的啟發(fā)，蒙特利爾工學(xué)院的Frédérick Gosselin教授、Daniel Therriault教授以及博士生Shibo Zou希望展示如何將塑料織帶結(jié)合到玻璃板中以防止撞擊時(shí)破碎。

通過(guò)3D打印進(jìn)行仿生

研究人員使用聚碳酸酯來(lái)達(dá)到目的。加熱時(shí)，聚碳酸酯像蜂蜜一樣變得粘稠。Gosselin教授的團(tuán)隊(duì)使用3D打印機(jī)利用此特性來(lái)“編織”一系列厚度小于2毫米的纖維，然后通過(guò)垂直打印一系列新的纖維來(lái)快速重復(fù)該過(guò)程，然后快速移動(dòng)，直到整個(gè)纖網(wǎng)固化為止。

當(dāng)3D打印機(jī)將其緩慢擠出以形成纖維時(shí)，熔融的塑料會(huì)形成最終形成圓圈，最終形成一系列的環(huán)。研究人員Gosselin解釋說(shuō)：“一旦變硬，這些環(huán)就會(huì)變成犧牲連接，從而賦予纖維額外的強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)生撞擊時(shí)，這些犧牲連接會(huì)吸收能量并破壞以維持纖維的整體完整性，類似于絲綢蛋白?！?/span>

▲復(fù)合材料制造工藝示意圖。由微結(jié)構(gòu)聚碳酸酯纖維組成的雙層織物由IFFF公司制造，然后在內(nèi)部尺寸為100 × 100 × 1.5毫米(長(zhǎng)×寬×厚)的模具中用透明彈性體滲透。使用兩種具有不同折射率值(589納米時(shí)為1.41和1.55)的透明彈性體來(lái)制造復(fù)合材料。

在2015年發(fā)表的一篇文章中，Gosselin教授的團(tuán)隊(duì)演示了這些纖維制造背后的原理（如下圖）。

該研究的主要作者Shibo Zou借此機(jī)會(huì)舉例說(shuō)明了這種網(wǎng)在防護(hù)屏內(nèi)部時(shí)的行為。在將一系列纖維網(wǎng)嵌入透明樹脂板后，他進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。結(jié)果如何？塑料晶片可分散高達(dá)95.6％的沖擊能量而不會(huì)破裂。它們不會(huì)破裂，而是在某些地方變形，從而保持了晶圓的整體完整性。

▲(G–J). (G)彈性體薄膜、(H)直纖維復(fù)合膜、(I)交替纖維復(fù)合膜和(J)混合纖維復(fù)合膜在初始接觸后六個(gè)不同瞬間的沖擊試驗(yàn)的高速照相機(jī)快照(t= 0 ms)。因?yàn)閯偠仍谒膫€(gè)不同的試樣之間是不同的，所以在同一瞬間，飛鏢出現(xiàn)在四個(gè)試樣的不同位置。位移d定義為首次接觸后省道的垂直位移，標(biāo)記在每個(gè)樣品的每個(gè)快照上。在相同的沖擊能量(5 J)下，沖擊器穿透彈性體膜和直纖維復(fù)合膜。交替纖維復(fù)合膜和混雜纖維復(fù)合膜通過(guò)吸收大量能量來(lái)捕獲沖擊器。彈性能量的釋放使飛鏢彈回并產(chǎn)生(B)所示的卸載曲線。(K–N)沖擊試驗(yàn)后斷裂的(K)彈性體膜、(L)直纖維復(fù)合膜、(M)交替纖維復(fù)合膜和(N)混雜纖維復(fù)合膜的光學(xué)圖像。插圖中的比例尺代表10毫米。

根據(jù)Gosselin教授的說(shuō)法，這種受自然啟發(fā)的創(chuàng)新可能導(dǎo)致制造出新型的防彈玻璃，或者導(dǎo)致生產(chǎn)出更加耐用的塑料保護(hù)型智能手機(jī)屏幕。戈塞林教授指出：“它也可以在航空航天中用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)涂層?！蓖瑫r(shí)，他當(dāng)然打算探索這種方法可能為他打開的可能性。

參考文獻(xiàn)：Advanced Materials, onlinelibrary.wiley.com/doi/10 … /adma.201500603/epdf

本文來(lái)源：Shibo Zou et al, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite, Cell Reports Physical Science (2020). DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100240

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/3Ddayinfangan/39771.html