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受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)！3D打印透明復(fù)合

發(fā)布時(shí)間：2022-08-06 17:51:57瀏覽：7041點(diǎn)贊：

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

蜘蛛網(wǎng)是由它們的編織者進(jìn)化而來的

，用來耗散捕獲獵物時(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)主要通過分子鍵的斷裂、熵的增加以及徑向線的內(nèi)部發(fā)熱來消散能量

。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3D打印進(jìn)行仿生

研究人員使用聚碳酸酯來達(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“編織”一系列厚度小于2毫米的纖維

，然后通過垂直打印一系列新的纖維來快速重復(fù)該過程

，然后快速移動(dòng)，直到整個(gè)纖網(wǎng)固化為止

。

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

。

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

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