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遇熱時會收縮而不是膨脹的3D打印輕質(zhì)材料

一個增材制造研究小組開發(fā)了一種3D打印材料，它在被加熱時會收縮而不是膨脹。這種輕質(zhì)保溫材料由迷你網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成，在很大的溫度范圍內(nèi)，它可以從三個笛卡爾方向上進行收縮。

大多數(shù)固體材料在加熱時會膨脹，只有少數(shù)會收縮。不過，在加熱時會收縮的“負熱膨脹”材料可以有不同的重要用途，如水管、航天器設(shè)備，以及在不同熱負荷下會失去準度的固定件，包括芯片和高精度光學(xué)底座。一個來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和幾所美國大學(xué)的科學(xué)家團隊開發(fā)出了3D打印輕質(zhì)材料，在較大的溫度范圍內(nèi)可以進行收縮，他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《物理評論快報》上。

研究人員開發(fā)的新型收縮3D打印超材料的秘密就在于它的雙材料迷你網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，它是由聚合物以及聚合物/銅復(fù)合材料3D打印而成的，可以向內(nèi)彎曲。暴露于熱環(huán)境下時，這種向內(nèi)彎曲會引起結(jié)構(gòu)上的縮小。最重要的是，這種高度可調(diào)的收縮發(fā)生在三個笛卡爾方向，研究人員認為，他們的3D打印材料是第一個可以這樣做的。這種熱膨脹也可以不發(fā)生或是正向的，這取決于在設(shè)計時的幾何形狀和拓撲結(jié)構(gòu)。

研究小組設(shè)計了一系列金字塔形狀的迷你網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在加熱時它會收縮。關(guān)于這種可以彎曲與收縮的迷你網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部支柱是由擁有更高熱膨脹的材料組成。在這些支柱膨脹時，由低膨脹材料組成的外部框架會迫使支柱折疊到該結(jié)構(gòu)的中心。

使用投影式微光刻3D打印技術(shù)，MIT的團隊能夠擴大現(xiàn)有的系統(tǒng)來制作多材料。在MIT機械工程副教授Nicholas Fang的領(lǐng)導(dǎo)下，MIT的科學(xué)家們必須確保材料不會受到污染，打印完每一層后都要洗掉殘渣。

研究人員認為，3D打印材料被動適應(yīng)局部溫度變化的能力可以使其適用于各種機械應(yīng)用，傳統(tǒng)方法中這些應(yīng)用要靠主動控制來解決，如加熱和冷卻。某些裝置的零件在受熱時會變得不準確，3D打印的材料可以被用來抵消這種失調(diào)。

根據(jù)論文作者Qiming Wang的說法，這種微結(jié)構(gòu)3D打印超材料可用于牙科填料，當(dāng)人們吃熱東西時它很容易移動或破裂。它也可用來填補橋梁或建筑物的小縫隙，這些建筑是露天的，經(jīng)常會發(fā)生熱膨脹，或者也可以用于某些精密設(shè)備，如原子力顯微鏡。

“有趣的是，它是由兩種不同的材料構(gòu)成，分別為梁和空隙，”UCLA機械航天和工程系助理教授Jonathan Hopkins解釋說。“當(dāng)你加熱它時，一旦某一條梁膨脹到超過其他梁，那么每個單元細胞之間的連接點會向內(nèi)拉，進而使全部格子都向內(nèi)拉，這是直接的熱收縮，也是它的獨特之處。”

這項研究涉及到了來自LLNL、南加州大學(xué)、MIT和洛杉磯加利福尼亞大學(xué)的研究人員，這是國防部高級研究項目局國防科學(xué)辦公室五年計劃的一部分，該計劃主要是研究具有可控微觀結(jié)構(gòu)的材料。據(jù)Wang說，該項目的下一階段是制造可以解決類似問題的零熱膨脹材料。

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