西(xi)湖(hu)大(da)學(xue)周(zhou)南嘉(jia)團隊:通過模(mo)塊化(hua)設(she)計(ji)的(de)擠出頭(tou)調控纖維(wei)內部周(zhou)期(qi)性結(jie)構

具(ju)有(you)復(fu)雜(za)內部結構(gou)的多材料(liao)壹維(wei)（1D）纖維(wei)壹直是(shi)科學(xue)與(yu)工程領(ling)域(yu)的(de)研(yan)究熱點(dian)。其(qi)柔性、可擴(kuo)展性和(he)多功能(neng)性使(shi)纖維(wei)廣(guang)泛應(ying)用(yong)於(yu)驅動(dong)器(qi)、發光(guang)器件(jian)、儲能(neng)設(she)備、傳感器和(he)藥物輸送(song)裝(zhuang)置等(deng)應(ying)用(yong)。其(qi)中(zhong)，周(zhou)期(qi)性結(jie)構纖維(wei)可以(yi)通(tong)過(guo)對周(zhou)期(qi)的(de)設(she)計(ji)和(he)調控，顯(xian)著提(ti)高(gao)纖維(wei)的(de)性能(neng)和功能。將(jiang)壹維(wei)纖維(wei)組(zu)裝(zhuang)成二(er)維圖(tu)案(an)或(huo)三(san)維結(jie)構將(jiang)大(da)大(da)擴(kuo)展其應(ying)用(yong)空(kong)間(jian)。然(ran)而(er)，傳統(tong)的纖維(wei)加(jia)工方法（包括熔(rong)融(rong)紡絲(si)、溶(rong)液紡絲(si)和(he)靜電紡絲(si)）需(xu)要編織(zhi)、針織(zhi)等(deng)後(hou)紡絲(si)工藝，這限制(zhi)了生(sheng)產效(xiao)率(lv)，並給(gei)材料(liao)選(xuan)擇(ze)和復(fu)雜(za)結構(gou)的制(zhi)造(zao)帶來(lai)了(le)困(kun)難(nan)。

與(yu)傳統(tong)制(zhi)造(zao)相(xiang)比，增(zeng)材制(zhi)造(zao) (AM) 具(ju)有(you)復(fu)雜(za)結構(gou)設(she)計(ji)和(he)快(kuai)速(su)成型(xing)的(de)優勢(shi)。利(li)用(yong) 3D 打印(yin)技術，可以(yi)輕(qing)松(song)實(shi)現微觀和(he)宏觀結(jie)構的(de)制(zhi)造(zao)。其中(zhong)，直接(jie)墨水書(shu)寫(xie) (DIW) 是壹種(zhong)被(bei)廣(guang)泛使(shi)用的多材料(liao)擠出加(jia)工方法，在成本(ben)效(xiao)益與(yu)材料(liao)兼容性等(deng)方面(mian)具(ju)有(you)較(jiao)大(da)優勢(shi)。為了擴(kuo)展擠出過(guo)程中(zhong)多種材料(liao)的可編程性，微流體擠出頭(tou)設(she)計(ji)已(yi)被用(yong)於(yu)創建(jian)多功能(neng)纖維(wei)結(jie)構(gou)。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)高分辨率(lv)微流道的(de)設(she)計(ji)和(he)制(zhi)造(zao)的復(fu)雜(za)性，目(mu)前(qian)擠出頭(tou)的結構選(xuan)擇(ze)仍然(ran)有(you)限(xian)。

基(ji)於(yu)此，西(xi)湖(hu)大(da)學(xue)工學(xue)院(yuan)周(zhou)南嘉(jia)團隊提(ti)出了(le)壹種(zhong)模(mo)塊化(hua)策略設(she)計(ji)擠出頭(tou)，利用多材料(liao)直寫(xie)工藝擠出具(ju)有(you)可調控周(zhou)期(qi)性結(jie)構的纖維(wei)，並用(yong)來制(zhi)造(zao)具(ju)有(you)空(kong)間(jian)可編程周(zhou)期(qi)性結(jie)構的 3D 物體。不(bu)同(tong)功(gong)能的模(mo)塊可以(yi)通(tong)過(guo)串(chuan)聯(lian)，並聯(lian)，串(chuan)並聯(lian)等(deng)不(bu)同(tong)的(de)方式(shi)進行(xing)連(lian)接(jie)組(zu)裝(zhuang)，用(yong)來(lai)制(zhi)備具(ju)有(you)層(ceng)狀結構(gou)和(he)棋盤(pan)結構(gou)的(de)多材料(liao)纖維(wei)。纖維(wei)內部的周(zhou)期(qi)性結(jie)構可以(yi)通(tong)過(guo)調節工藝參數(shu)，模(mo)塊的種(zhong)類(lei)數量(liang)和尺(chi)寸(cun)進行(xing)控制(zhi)。通過(guo)模(mo)塊化(hua)平臺(tai)策略(lve)，極大(da)的(de)簡(jian)化(hua)了擠出頭(tou)設(she)計(ji)的(de)難(nan)度(du)，提(ti)高(gao)了具(ju)有(you)周(zhou)期(qi)性結(jie)構纖維(wei)的(de)加(jia)工效(xiao)率(lv)。該擠出頭(tou)是利用摩(mo)方(fang)精密(mi)nanoArch® P140和S140 高(gao)精度(du)DLP 3D打印(yin)設(she)備（精度(du)：10μm）壹體化(hua)成型(xing)制(zhi)造(zao)而(er)成。

通(tong)過研(yan)究團隊的策略，兩種具(ju)有(you)相(xiang)似流變性能(neng)和不(bu)同(tong)機(ji)械(xie)性能(neng)的不(bu)混(hun)溶(rong)材料(liao)用於(yu)共擠出。周(zhou)期(qi)性結(jie)構可以(yi)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)纖維(wei)和(he)晶(jing)格(ge)結(jie)構的機(ji)械(xie)性能(neng)。首先，對於(yu)硬/軟矽橡(xiang)膠復(fu)合彈性體，層(ceng)狀結構(gou)纖維(wei)展現出最高的斷裂(lie)韌性（14.009 KJ/m2），分別(bie)是(shi)均質軟(ruan)矽(gui)橡(xiang)膠和硬矽橡(xiang)膠的1.8和(he)11.8倍(bei)。其(qi)次(ci)，受生(sheng)物珍珠(zhu)殼(ke)狀結構(gou)啟(qi)發，加工得到環氧樹脂/矽橡(xiang)膠層(ceng)狀復(fu)合材料(liao)，纖維(wei)的(de)增(zeng)韌效(xiao)果(guo)表(biao)現出明(ming)顯的(de)各(ge)向異(yi)性行(xing)為。在此基礎上，研(yan)究團隊通過控制(zhi)打印(yin)路(lu)徑，在3維木(mu)樁結(jie)構中(zhong)對周(zhou)期(qi)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)空(kong)間(jian)編程，使(shi)打印(yin)結構在壓縮測試(shi)中(zhong)不(bu)會發(fa)生(sheng)災難(nan)性的(de)結構損壞(huai)。與(yu)直接(jie)混(hun)合的復(fu)合材料(liao)相(xiang)比，層(ceng)狀結構(gou)的(de)纖維(wei)的(de)韌性和(he)交(jiao)錯(cuo)木(mu)樁結(jie)構的(de)能量(liang)吸收(shou)能力表(biao)現出了(le)顯著(zhu)的增(zeng)強(qiang)，分別(bie)提(ti)高(gao)了 4.3 倍(bei)（10.45 MPa）和(he) 6.5 倍（12.43 J/g）。

本(ben)研(yan)究成果(guo)以(yi)“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads"為題發(fa)表(biao)在學(xue)術期(qi)刊(kan)《Additive Manufacturing》上(shang)。西(xi)湖(hu)大(da)學(xue)博(bo)士生(sheng)任(ren)靖波(bo)為論文第(di)壹作(zuo)者(zhe)，西(xi)湖(hu)大(da)學(xue)特聘(pin)研(yan)究員周(zhou)南嘉(jia)為論文通(tong)訊作(zuo)者。本研(yan)究得到了(le)西(xi)湖(hu)大(da)學(xue)未(wei)來產業研(yan)究中(zhong)心，先進(jin)微納(na)加(jia)工與測試(shi)平臺(tai)，物質科學(xue)公共實(shi)驗(yan)平臺(tai)的大(da)力支(zhi)持(chi)。

圖(tu)1. 模(mo)塊化(hua)擠出頭(tou)和打印(yin)結構。(a)：模(mo)塊化(hua)擠出頭(tou)打印(yin)設(she)備和打印(yin) 3D 結構的(de)示意(yi)圖(tu)。放(fang)大(da)的(de)部分顯(xian)示了具(ju)有(you)內部流道結(jie)構(gou)的(de)基本(ben)單(dan)元倍(bei)增器 (BME) 設(she)計(ji)。(b)：通(tong)過(guo)分裂(lie)、堆(dui)疊、擴(kuo)散實(shi)現流體強(qiang)制(zhi)倍增(zeng)的過程。(c)：組(zu)裝(zhuang)策(ce)略(lve)對纖維(wei)結(jie)構(gou)的影響(xiang)。模(mo)塊化(hua)擠出頭(tou)設(she)計(ji)以(yi)及(ji)對應(ying)於(yu)串聯(lian)和(he)串並聯(lian)擠出頭(tou)各(ge)個(ge)部分的(de)理論纖維(wei)結(jie)構(gou)——包括入口(kou)模(mo)塊 (IM)、倍增(zeng)模(mo)塊 (MM)、出口(kou)模(mo)塊 (OM) 和連(lian)接(jie)模(mo)塊 (CM) 等功(gong)能(neng)模(mo)塊、纖維(wei)內部周(zhou)期(qi)性圖(tu)案(an)示意(yi)圖(tu)以(yi)及(ji)串聯(lian)和(he)串並聯(lian)組(zu)裝(zhuang)策(ce)略(lve)的(de)打印(yin)纖維(wei)的(de)橫(heng)截面(mian)照片(pian)。比(bi)例尺(chi)，2 mm (a), 100 μm (c)。

圖(tu)2. (a):串(chuan)聯(lian)(左)和(he)串(chuan)並聯(lian)擠出頭(tou)(右)的(de)照片(pian)。(b):定(ding)制(zhi)的四(si)軸(zhou)打印(yin)平臺(tai)(左)和(he)在3D打印(yin)設(she)備中(zhong)組裝(zhuang)的(de)擠出頭(tou)(右)。比(bi)例尺(chi)，5 mm (a)。

圖(tu)3. 纖維(wei)內部周(zhou)期(qi)性結(jie)構的調控。(a-b)：粘度(du)匹(pi)配(pei)對層(ceng)均勻(yun)性的(de)影響(xiang)。(c)：流量(liang)比對層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)影響(xiang)。(d-e)：多層(ceng)結(jie)構(gou)纖維(wei)的(de)橫(heng)截面(mian)照片(pian)與(yu)實(shi)際(ji)層(ceng)厚(hou)與(yu)理論層(ceng)厚(hou)的(de)比(bi)較(jiao)。比(bi)例尺(chi)，100 μm(c,d)。

圖(tu)4. 硬/軟矽橡(xiang)膠層(ceng)狀復(fu)合彈性體的(de)力學(xue)性能(neng)。(a)：硬/軟矽橡(xiang)膠墨水的(de)流變行(xing)為。(b)：組分對彈性體韌性的(de)影響(xiang)。(c)：層(ceng)狀結構(gou)增(zeng)韌機(ji)理與(yu)復(fu)合彈性體纖維(wei)在拉伸(shen)試(shi)驗(yan)過程中(zhong)相(xiang)應(ying)的(de)斷(duan)裂(lie)過(guo)程。(d)：層(ceng)數(shu)對彈性體韌性的(de)影響(xiang)。(e)：韌性和(he)臨(lin)界(jie)應(ying)變(bian)的(de)比(bi)較(jiao)。比例尺(chi)，100 μm (a)，1 mm (c)。

圖(tu)5. 環(huan)氧樹脂/矽橡(xiang)膠層(ceng)狀復(fu)合纖維(wei)的(de)力學(xue)性能(neng)。（a）：環氧樹脂/矽橡(xiang)膠墨水的(de)流變行(xing)為。（b）：三(san)點彎曲試(shi)驗(yan)示意(yi)圖(tu)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)長(chang)絲(si)應(ying)力分布(bu)。（c）：復(fu)合纖維(wei)的(de)測試(shi)方向。（d）：組(zu)分對復(fu)合材料(liao)模(mo)量(liang)和韌性的(de)影響(xiang)。（e）：層(ceng)狀結構(gou)阻(zu)止(zhi)裂(lie)紋擴(kuo)展進行(xing)增(zeng)韌。（f）：層(ceng)數(shu)對復(fu)合材料(liao)韌性的(de)影響(xiang)。比(bi)例尺(chi)，100 μm (a)，1 mm (e)。

圖(tu)6. 3D交(jiao)錯(cuo)木(mu)樁結(jie)構的(de)力學(xue)性能(neng)。（a）：打印(yin)路(lu)徑示意(yi)圖(tu)。（b）：壓縮應(ying)力-應(ying)變(bian)曲線(xian)。（c）：打印(yin)結構在壓縮測試(shi)中(zhong)相(xiang)應(ying)的(de)失效(xiao)過程。比(bi)例尺(chi)，5 mm（c）。

通(tong)過引入更(geng)多功能(neng)模(mo)塊和不(bu)同(tong)的(de)組裝(zhuang)方(fang)式(shi)，可以(yi)設(she)計(ji)高(gao)度(du)可定(ding)制(zhi)化(hua)的擠出頭(tou)，以(yi)制(zhi)備具(ju)有(you)奇(qi)異(yi)性能(neng)和新(xin)功能的復(fu)雜(za)結構(gou)纖維(wei)。設(she)計(ji)的(de)靈(ling)活(huo)性和(he)材料(liao)兼容性使(shi)研(yan)究團隊的策略在建(jian)築、光(guang)電、生(sheng)物醫學(xue)支(zhi)架(jia)等領(ling)域(yu)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的應(ying)用(yong)前(qian)景。