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    中科院蘇州納米所張學同研究員團隊在氣凝膠3D打印領域獲重要進展
    2020-07-17  來源:高分子科技

      超材料是一種新興的人工材料,它具有工程結構誘導的非常規性能,如負磁導率、負介電常數、負導熱系數等,在電磁學、聲學、等離子體、力學、熱學等領域有著廣闊的應用前景。其中,具有負泊松比結構的力學超材料,描述了給定材料在拉伸或壓縮時的橫向變形程度。因其具有出色的機械性能,如抗剪切、抗壓痕、斷裂韌性、阻尼性能等,在航空航天、智能系統及生物醫學設備等領域具有重要的應用。然而,目前力學超材料的設計、制備和應用面臨兩個挑戰: (1) 如何高效、快速制備多功能負泊松比超材料;(2)微觀結構相對簡單,限制了力學超材料的應用。因此,將氣凝膠的優異性能(如超低密度、大比表面積、高孔隙率、多級孔洞結構、低熱導率及良好的介電性能等)引入到力學超材料中,必定會進一步拓寬其應用范圍。


      鑒于此,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員領導的氣凝膠團隊http://www.aerogel-online.com/)通過溶解高性能的杜邦TMKevlar纖維制備了具有合適流變性能的凱夫拉納米纖維墨水,進而采用高精度和低能耗的冷凍-直寫3D打印方法及超臨界干燥技術,首次制備出具有分級多孔結構的3D凱夫拉氣凝膠超材料。


    圖1. 3D打印凱夫拉氣凝膠超材料的制備過程


      所用打印方法是一種基于以二甲亞砜為墨水溶劑的直寫成型-冷凍鑄造技術,相對于水基墨水,該方法具有低能耗、高精度和普適性優勢。3D 凱夫拉氣凝膠超材料(3D-KAAA)中相鄰的ANF線條原位焊接在一起,從而保證了結構整體性。此外,所得3D-KAAA具有超低密度(11.9 mg·cm-3)、良好的機械性能(可卷曲、折疊、扭曲等)、大的比表面積(350 m2·g-1)等。


    圖2. 3D打印凱夫拉氣凝膠結構單元(υ=-0.8, 0.1和0.4)的設計(a),打印(b)和微觀形貌(c)。(d) 3D-KAAA (υ =-0.8)在 0 -15 %單軸拉伸應變下的光學照片。(e) 3D打印凱夫拉氣凝膠的拉伸泊松比曲線。(f) 3D-KAAA (υ =-0.8)拉伸下的應力應變曲線。(g) 3D-KAAA (υ =-0.8)宏觀和微觀的力學模擬。


      通過結構設計,3D打印凱夫拉氣凝膠具有可控的泊松比(-0.8~0.4)。對3D-KAAA (υ =-0.8)結構進行力學模擬,發現在拉伸時,結構樑與節點的強相互作用、結構樑內部相互纏結的凱夫拉納米纖維的屈曲變形及結構的多級斷裂現象,賦予其良好的能量吸收性能(80.1 J·g-1)。隨后分別對3D-KAAA (υ =-0.8)進行氟碳樹脂表面改性、功能染料浸泡、相變材料填充后,分別得到了水驅動、光致變色及熱響應的3D打印凱夫拉超材料。


    圖3. 3D-KAAA(υ =-0.8)的功能化改性:(a) FC疏水改性前后的接觸角和表面形貌變化。 (b) 通過拉伸-回縮觸發水滴的輸運。(c-d)可見光/紫外光下的光致變色改性。(e) 3D-KAAA/PEG-2K 和 3D-KAAA/Wax復合物的DSC曲線。(f) 3D-KAAA/PEG-2K復合物的形狀記憶功能。


      以上成果發表在Journal of Materials Chemistry A (Journal of Materials Chemistry A. 2020, DOI: 10.1039/d0ta02590a)上。論文的第一作者為中國科學技術大學納米技術與納米仿生學院博士生程青青,通訊作者為張學同研究員,共同通訊作者為英國倫敦大學學院(University College London)宋文輝教授,其他合作者包括英國帝國理工學院(Imperial College London)的劉洋博士、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所的呂婧博士和蘇州大學紡織學院的呂強教授


      論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta02590a#!divAbstract

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