轻质+超高强+高延展 | 3D打印综合性能优异晶格结构取得重要进展

对开发具有低密度、高强度和大延展性/变形能力的高性能材料已经存在了几个世纪，时至今日仍然是一个挑战。对于几乎所有的结构材料，包括但不限于金属/合金、陶瓷和聚合物，强度-延展性或强度-密度之间需要进行平衡。一般而言，高强度结构材料往往具有高密度和低延展性（反之亦然），因此难以在工程应用中对这三个相互排斥的关键指标之间寻得最佳平衡。

微晶格/纳米晶格已成为一种优于传统泡沫和气凝胶的优质轻量化结构，3D打印能够为精确控制几何形状带来构建优势。据报道，与所有其他现有轻质材料（<1g/cm^-3）相比，热解碳（一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳）微/纳米晶格具有优异的比强度，甚至可以优于热解时形成的石墨烯状薄片的高密度，接近理论极限。然而，热解碳晶格通常在低应变下表现出灾难性的脆性断裂行为，导致韧性很低，从而限制了它们的结构应用。热解碳也被证明表现出显著的尺寸效应，其中增加其特征尺寸会导致强度和可变形性降低，这意味着制造坚韧的宏观尺度组件具有挑战性。

香港城市大学的研究人员展示了一种简便的热解方法，可以产生超坚韧、抗断裂的混合热解碳晶格，这与以前开发的热解碳材料完全不同。研究发现，碳化的部分方法是通过在惰性气氛中于接近其降解温度的有限时间内对3D打印的光聚合物微晶格进行热退火来实现的。

城大团队通过仔细控制热解过程的加热速率、温度、持续时间和气体环境，发现可以在一个步骤中提高微晶格的刚度、强度和延展性。通过一系列表征技术发现，在热解转化过程中，缓慢加热会导致材料聚合物链的不完全转化，从而产生了一种混合材料，其中结构增强的碳碎片和防止复合材料破裂的松散交联的聚合物链协同共存。进一步研究发现，聚合物与碳碎片的比例对于产生强度和延展性优化的零件至关重要。将该理论用于测试，研究团队创建了几个测试打印样件，与原始聚合物微晶格相比，部分碳化的晶格结构延展性增加了两倍以上，强度增加幅度更是超过了100倍。

部分碳化微晶格的力学性能

轻质、部分碳化的微晶格还表现出超高的比能量吸收能力，而不会破裂至致密化应变，超过了迄今为止制造的所有其他微晶格。这对于制造包含缓冲材料的战术、运动头盔具有重要作用。

研究人员还通过细胞培养实验观察到，与直接3D打印的聚合物晶格相比，杂化碳微晶格显示出更好的生物相容性，这意味着部分碳化过程可能带来的好处不仅仅是提高机械性能，还可以扩展到其他功能。这种部分碳化的晶格结构有望用来制造具有较高强度的生物支架。

该研究可用于制作碳化微晶格，对冠状动脉支架具有潜在应用

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总的来说，香港城市大学的研究团队展示了一种简便的方法，通过部分碳化将本质上低强度、易碎的3D打印光聚合物晶格转变为轻质、高强和高延展性的混合成分晶格。与原始聚合物晶格相比，部分碳化的晶格强度提高了100倍以上，压缩断裂应变增加了一倍以上。这要归功于其成分的协同作用，其中形成的石墨烯片和类金刚石碳增加了强度和刚度，而松散交联的聚合物链形成柔顺的网络，抑制了裂纹扩展并增强了延展性，从而具有超高的比能量吸收能力。

该研究创造了一种制造轻质、高强、抗断裂的碳基结构的新范式。具有几乎任何几何形状（开孔和闭孔蜂窝结构）的超材料，可用于多种工程和多功能应用。