Падение с помощью магнита

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5015 (2022) Цитировать эту статью

20 тысяч доступов

8 цитат

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Микроструктурированные композиты с иерархически расположенными наполнителями, изготовленные с помощью трехмерной (3D) печати, демонстрируют улучшенные свойства в направлении выравнивания наполнителей. Однако по-прежнему сложно одновременно обеспечить хороший контроль расположения наполнителя и высокую концентрацию наполнителя, что ограничивает свойства печатного материала. В этом исследовании мы разрабатываем метод 3D-печати с использованием магнита (MDOD) для печати выровненных композитов, армированных микротромбоцитами. Выполняя печать «капля по требованию» с использованием водных суспензионных чернил при приложении внешнего магнитного поля, MDOD может печатать композиты с микротромбоцитарными наполнителями, выровненными под заданными углами, с высокими концентрациями наполнителя до 50 об.%. Более того, MDOD позволяет печатать из нескольких материалов с вокселированным управлением. Мы демонстрируем возможности MDOD, печатая пьезорезистивные датчики из нескольких материалов с настраиваемыми характеристиками в зависимости от локальной микроструктуры и состава. Таким образом, MDOD создает большое пространство для проектирования для улучшения механических и функциональных свойств 3D-печатных электронных или сенсорных устройств с использованием широкого спектра материалов.

Трехмерная (3D) печать — это производственная технология, позволяющая создавать 3D-структуры произвольной формы путем послойного осаждения. Традиционно 3D-печать используется для мелкосерийного прототипирования с ограниченной совместимостью материалов. Однако последние достижения позволили печатать на 3D-принтере больше классов материалов для использования в междисциплинарных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, робототехника, биомедицина и электроника1,2,3,4. Совсем недавно 3D-печать была расширена для изготовления микроструктурированных композитов, состоящих из упорядоченно расположенных одномерных волокнистых или двумерных пластинчатых анизотропных армирующих наполнителей. Микроструктурированные композиты интересны тем, что обладают превосходными свойствами. Например, биоинспирированные структуры Булиганда и перламутра формируются сложенными друг на друга слоями выровненных жестких волокон и тромбоцитов соответственно внутри мягкой матрицы. Эти структуры обладают высокой жесткостью благодаря высокому содержанию наполнителя, а их слоистая структура делает структуру более жесткой5. Помимо механических свойств, микроструктурированные композиты, содержащие функциональные наполнители, такие как микротромбоциты ориентированного графена или гексагонального нитрида бора (hBN), также демонстрируют улучшенные термические и электрические свойства6,7. Несмотря на впечатляющий прогресс, достигнутый в области 3D-печати, изготовление этих микроструктурированных композитов по-прежнему сложно из-за требуемой сложной анизотропной и слоистой структуры из нескольких материалов.

Одной из стратегий печати микроструктурированных композитов является использование методов работы с несколькими материалами, таких как полиструйная печать или моделирование наплавлением, для печати комбинаций мягких и жестких материалов8,9,10. Однако такие методы обычно ограничиваются печатью полимерами с различными механическими свойствами и не могут в полной мере реализовать те же свойства, что и композиты, содержащие настоящие жесткие наполнители. Современные методы, в которых используются чернила, содержащие жесткие наполнители, обычно используют выравнивание наполнителей, вызванное сдвигом или полем11,12. 3D-печать микроструктурированных композитов, армированных 1D-наполнителями, легче осуществить, поскольку наполнители необходимо выравнивать только в одном направлении. И наоборот, изготовление микроструктурированных 2D-композитов на основе тромбоцитов более требовательно, поскольку наполнители имеют дополнительную ось для выравнивания. Несмотря на это, 3D-печать композитов на основе тромбоцитов осуществлялась в различных исследовательских группах. Ян и др. Напечатанные на 3D-принтере графеновые нанопластинчатые структуры внутри фотоотверждаемой смолы с использованием метода стереолитографии в электрическом поле (SLA)13. Магнитные поля также использовались аналогичным образом для двухосного выравнивания микротромбоцитов оксида алюминия в фотоотверждаемых полимерах, напечатанных на 3D-принтере14,15. Хотя эти методы эффективны при печати микроструктурированных материалов, использование фотоотверждаемых полимерных чернил ограничивает содержание наполнителя, поскольку высокое содержание наполнителя приводит к высокой вязкости чернил, что препятствует вращению микротромбоцитов во время выравнивания. В результате конечные композиты часто имеют низкое содержание твердых веществ <15 об.%, что ограничивает их свойства. Для изготовления композитов с более высоким содержанием твердых веществ Feilden et al. использовали прямое письмо чернилами (DIW) для печати керамических композитов с использованием гидрогелевых чернил на основе оксида алюминия. Силы сдвига, возникающие во время печати, выравнивали микротромбоциты по окружности дозирующего сопла16. Хотя были напечатаны образцы с высоким содержанием твердых веществ ~50 об.%, выравнивание наполнителя невозможно свободно контролировать. Следовательно, весьма желательной является технология печати, которая позволяет контролировать ориентацию наполнителя, сохраняя при этом высокие содержания твердых веществ в печатных структурах.