漢堡工業(yè)(yè)大學(xué)(xué)（TUHH）和麻省理工學(xué)(xué)院（MIT）的研究人員與不來(lái)梅大學(xué)(xué)和不來(lái)梅大學(xué)(xué)合作，已經(jīng)(jīng)使用3D打印將納米顆粒組裝成堅固的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)。

該研究小組開(kāi)發(fā)(fā)了一種直接寫(xiě)入自組裝技術(shù)(shù)，該技術(shù)(shù)通過(guò)交聯(lián)(lián)得到了全面增強，從而使微觀(guān)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度可以反映在宏觀(guān)結(jié)構(gòu)中。將3D打印與這種膠體組裝方法相結(jié)合，可以使機械性能更強，多功能的3D結(jié)構(gòu)的發(fā)(fā)展，并為航空航天業(yè)(yè)中的所得材料打開(kāi)新的應(yīng)用領(lǐng)(lǐng)域?！?3D打印為開(kāi)發(fā)(fā)新材料提供了一種快速且可控的方式。以前的3D打印的基于粒子的材料通常較弱，因為它們的粒子主要是通過(guò)弱力固定在一起的。而在我們這里，整個(gè)材料中形成了牢固的，共價(jià)鍵結(jié)合的納米顆粒的緊密堆積的網(wǎng)(wǎng)絡(luò )(luò)?！必?fù)責(zé)這項研究的TUHH的BertaDomènech博士說(shuō)。

3D打印柱的示意圖，以及相應(yīng)的孔隙率評估。圖片來(lái)自高級工程材料。

利用微型結(jié)構(gòu)的強度

宏觀(guān)結(jié)構(gòu)通常包含許多裂紋或缺陷，當(dāng)置于較高的載荷下時(shí)，可能會(huì )導(dǎo)致它們失效。另一方面，納米材料幾乎沒(méi)有缺陷，因此將微結(jié)構(gòu)的優(yōu)(yōu)勢納入其宏觀(guān)等效物的潛力可以為后者提供更高的強度。為了實(shí)現(xiàn)這種集成，需要開(kāi)發(fā)(fā)一種能夠精確控制納米顆粒（NP）的組成和組裝的制造方法。

研究人員提出，通過(guò)利用和進(jìn)一步控制其固有的分子間和表面力，可以將NPs組裝成更大的結(jié)構(gòu)。利用這些短程作用力，膠體自組裝成為一種可行的方法，可以對納米嵌段進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計，并調(diào)節(jié)所得材料的性能。雖然通常使用膠體自組裝來(lái)創(chuàng )(chuàng)建1D或2D結(jié)構(gòu)，但利用3D打印可以跨多個(gè)長(cháng)度尺度對3D材料系統(tǒng)進(jìn)行量身定制的設(shè)計。

為了有效地使用這種直接書(shū)寫(xiě)3D打印技術(shù)(shù)，研究團隊將需要使用剪切稀化墨水，該墨水在壓力下流過(guò)針孔，并且在沉積時(shí)具有保形能力。結(jié)果，幾種長(cháng)度尺度的成功橋接取決于合成的納米復(fù)合材料的固有機械強度。盡管NP的理論強度極強，但NP之間的鍵合力需要達到數(shù)百MPa左右才能起作用，因此團隊需要一種新的方法。作為回應(yīng)，研究人員設(shè)計了一種將直接寫(xiě)入3D打印與氧化鐵NP的膠體自組裝相結(jié)合的方法，以創(chuàng )(chuàng)建堅固的獨立式宏觀(guān)結(jié)構(gòu)。

將樣品進(jìn)行彎曲測試（圖像B），將得到的色譜柱表面保留在圖像D中。通過(guò)Advanced Engineering Materials獲得圖像。

3D打印高強度宏觀(guān)結(jié)構(gòu)

直寫(xiě)膠體組件是使用定制的臺式直寫(xiě)系統(tǒng)構(gòu)建的，該系統(tǒng)最初是由麻省理工學(xué)(xué)院開(kāi)發(fā)(fā)的。為了創(chuàng )(chuàng)建結(jié)構(gòu)，將OA功能化Fe3O4-NP的甲苯基懸浮液從高精度針頭分配到基質(zhì)(zhì)上，形成液橋。在膠體組裝過(guò)程中，橋為聚集在底部的NP提供了限制，并形成了自組裝的實(shí)心柱。通過(guò)以與自組裝印刷柱的垂直生長(cháng)速率匹配的速率向下移動(dòng)底物，可以控制該過(guò)程。通過(guò)在325°C的惰性氣氛中進(jìn)行熱處理來(lái)增強強度，從而在相鄰納米顆粒的有機分子之間形成新的鍵（或交聯(lián)(lián)）。所得的有機部件更硬，并且更能抵抗較高的載荷，其固化效果與在普通環(huán)(huán)氧樹(shù)脂上的固化過(guò)程相似。

利用這項新技術(shù)(shù)，研究人員生產(chǎn)(chǎn)了具有超結(jié)晶結(jié)構(gòu)的獨立式毫米大小的色譜柱。發(fā)(fā)現(xiàn)由球形氧化鐵納米顆粒的有序排列（超晶）組成的微型柱子的表面覆蓋著(zhù)短有機分子（油酸）。發(fā)(fā)現(xiàn)這種表面功能化是材料增強的機械性能的原因。結(jié)合力使納米顆?？煽氐亟M裝成緊密堆積的有序排列，有機分子充當(dāng)了進(jìn)一步增強材料的活性位點(diǎn)。

為了評估超晶格中可能的變化，在沿柱軸的不同點(diǎn)進(jìn)行了基于同步加速器的小角X射線(xiàn)散射（SAXS）分析。掃描確定形成了超晶格，并且未檢測到作為列位置的函數(shù)的晶格參數(shù)有顯著(zhù)差異。將摘要X射線(xiàn)顯微鏡（XRM）應(yīng)用于3D打印柱的一部分，總長(cháng)度為460μm。該掃描檢測到41 311μm3的色譜柱內(nèi)部不對稱(chēng)分布的內(nèi)部空隙和孔，這相當(dāng)于樣品評估的總體積的0.6％。

研究團隊成功地證明了膠體組裝與3D打印的結(jié)合，可以輕松，快速地制造出堅固耐用的色譜柱，將幾乎五種不同的長(cháng)度范圍橋接在一起。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，他們現(xiàn)在將嘗試獲得對過(guò)程參數(shù)的更多控制，將研究范圍擴展到其他納米粒子系統(tǒng)，并最終創(chuàng )(chuàng)建具有不同幾何形狀的3D打印部件。這項新技術(shù)(shù)可能導(dǎo)致將納米級構(gòu)建塊集成到各種宏觀(guān)多功能材料中，從光子器件到新的結(jié)構(gòu)材料。

3D打印中的高耐久性宏觀(guān)結(jié)構(gòu)

來(lái)自各種政府部門(mén)和學(xué)(xué)術(shù)(shù)機構(gòu)的研究人員已經(jīng)(jīng)設(shè)計出了新的3D打印方法，這些方法近年來(lái)產(chǎn)(chǎn)生了更耐用的金屬。

德州農(nóng)工大學(xué)(xué)的研究人員建立了一套準(zhǔn)則和參數(shù)，以允許在2020年3月將低合金增材制造為無(wú)缺陷的零件。該團隊制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以精確確定影線(xiàn)之間的最大間距，從而避免出現(xiàn)缺陷層之間融合不足引起的。

美國空軍技術(shù)(shù)學(xué)(xué)院（AFIT）于2019年9月開(kāi)發(fā)(fā)了一種3D打印用于武器應(yīng)用的高性能空軍AF-9628鋼的方法。創(chuàng )(chuàng)新了一種新型粉末床融合（PBF）技術(shù)(shù)，從而能夠生產(chǎn)(chǎn)金屬表現(xiàn)出比傳統(tǒng)AM合金更高的拉伸強度。

2019年10月，美國國家航空航天局（NASA）的馬歇爾太空飛行中心（MSFC）成為了HRL實(shí)驗室7A77鋁3D打印粉的第一個(gè)商業(yè)(yè)客戶(hù)。該材料是Al-7075的開(kāi)發(fā)(fā)版本，具有良好的延展性，高強度，韌性和出色的耐腐蝕性。

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