南科大研究团队实现超高填料含量复合材料的3D打印制造

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图1、超高填料含量复合材料的制备过程示意图 a) 自然界中螳螂虾螯足表面的生物矿化层示意图；b) 挤出打印过程中HGMs和PAA颗粒水凝胶的流动示意图；c) 打印的HGMs/PAA复合水凝胶在可控干燥后收缩，使内部HGM紧密堆积；d) 收缩后的HGMs/PAA复合材料扫描电镜照片 。

研究人员系统研究了复合墨水的打印性能和影响因素（图2）。通过引入PAA颗粒水凝胶，即使HGMs的质量分数高达99.2 wt.%（体积分数99.7 vol.%），墨水仍能实现稳定挤出。研究人员建立了填料与水凝胶体积比V*和颗粒与喷嘴直径比N*的打印状态相图（图2f），为实现无堵塞打印提供了定量指导。利用该策略，成功打印出最小线宽~377 μm的精细线条和~483 μm点阵结构（图2e），验证了该方法在高填料含量下的稳定打印能力。

图2、超高HGM含量复合墨水的打印状态 a) 三种典型挤出状态的挤出力变化率曲线；b) 挤出力测试装置及喷头堵塞机理示意图；c) 添加PAA对高HGM含量墨水挤出行为的改善；d) 使用HGM-100墨水打印的最细线条和点阵结构照片；e) 线条和点阵的线宽统计；f) V ^* 和N ^* 影响的打印状态相图；g) 本工作与其他3D打印及非3D打印技术制备复合材料的最大填料质量分数对比。

随后，研究团队对打印成型的超高填料复合材料的力学性能进行了表征（图3）。结果表明，复合材料的力学行为（如比强度和压缩力学行为）受到HGMs的粒径以及HGMs与PAA比例的影响。使用较小粒径HGMs的复合材料展现出更高的比强度。随着HGMs含量的增加，复合材料的压缩行为从主要由PAA聚合物滑移主导转变为由HGMs颗粒间形成的力链网络主导（图3c）。然而，当HGM含量过高时，由于聚合物基体不足以有效粘结HGM，材料力学性能反而下降（图3d）。

图3、超高HGM含量复合材料的力学行为 a) 由三种不同粒径HGM制备的HGM-10复合材料的比应力-应变曲线；b) 不同HGM/PAA比例的复合材料的压缩应力-应变曲线；c) 高HGM含量复合材料压缩力学机制转变示意图；d) HGM-10至HGM-130复合材料的应力-应变曲线。

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