[论文解读] Zeolite-inspired 3d printed structures with enhanced mechanical properties

Rushikesh S. Ambekar, Eliezer Fernando Oliveira+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2020

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 52被引用 30

一句话总结

本研究提出了一种新颖的方法，通过使用沸石模板碳纳米管网络（CNTnets）作为建筑蓝图，设计超轻、高强度的3D打印结构。基于BEA沸石模板获得的原子尺度CNTnet模型被放大并采用熔融沉积成型（FDM）技术3D打印，表现出与尺度无关的机械性能，具有高抗压强度和抗失效能力，凸显其在超轻航空航天和汽车部件中的应用潜力。

ABSTRACT

Specific strength (strength/density) is a crucial factor while designing high load bearing architecture in areas of aerospace and defence. Strength of the material can be enhanced by blending with high strength component or, by compositing with high strength fillers but both the options has limitations such as at certain load, materials fail due to poor filler and matrix interactions. Therefore, researchers are interested in enhancing strength of materials by playing with topology/geometry and therefore nature is best option to mimic for structures whereas, complexity limits nature mimicked structures. In this paper, we have explored Zeolite-inspired structures for load bearing capacity. Zeolite-inspired structure were obtained from molecular dynamics simulation and then fabricated via Fused deposition Modeling. The atomic scale complex topology from simulation is experimentally synthesized using 3D printing. Compressibility of as-fabricated structures was tested in different direction and compared with simulation results. Such complex architecture can be used for ultralight aerospace and automotive parts.

研究动机与目标

• 开发一种基于拓扑结构的设计策略，用于制造基于沸石模板碳纳米管网络（CNTnets）的超轻、高强度承重结构。
• 通过计算建模与实验验证，建立CNTnets在原子尺度的机械行为与宏观尺度3D打印结构之间的关联。
• 研究孔隙密度和层沉积取向对3D打印CNTnet结构抗压机械响应的影响。
• 验证从原子模拟到宏观尺度3D打印原型的机械性能可扩展性。
• 探索利用沸石模板生成复杂、可加工且高性能多孔结构在工程应用中的可行性。

提出的方法

• 基于BEA沸石框架，利用周期性边界条件和分子动力学（MD）模拟，生成原子尺度的CNTnet模型。
• 通过计算建模技术，将原子尺度的CNTnet结构放大为宏观尺度的3D可打印几何形状。
• 采用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，制备具有不同孔隙密度（低、中、高）的聚乳酸（PLA）基宏观尺度CNTnet结构。
• 通过实验单轴压缩测试对3D打印样品进行机械表征，重点关注抗压强度和破坏模式。
• 对原始原子模型进行全原子尺度分子动力学（MD）模拟，以预测机械行为并与实验结果进行比较。
• 分析结构在x方向和z方向受压时的响应，识别如纳米管弯曲和连接点应力集中等破坏机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于沸石模板的CNTnet结构能否成功实现放大并采用FDM技术3D打印，同时保持其固有的机械性能？
• RQ2 3D打印CNTnet结构中的孔隙密度如何影响其抗压强度和变形行为？
• RQ3 在单轴压缩下，3D打印CNTnet结构的主要破坏机制是什么，且其随加载方向如何变化？
• RQ4 当从原子尺度转移到宏观尺度3D打印版本时，CNTnets的机械行为在多大程度上表现出尺度无关性？
• RQ5 层沉积取向和结构拓扑如何影响3D打印CNTnet结构中的载荷分布和结构稳定性？

主要发现

• 3D打印的CNTnet结构表现出高抗压强度和抗结构失效能力，其中中等密度结构（结构2）的强度最高。
• 实验压缩测试表明，中等密度CNTnet（结构2）的抗压强度约为1.8 MPa，显著高于低密度（结构1）和高密度（结构3）变体。
• 分子动力学模拟显示，沿x方向（垂直于纳米管）压缩时的破坏主要由纳米管滚动和滑移主导；而沿z方向（平行于纳米管）压缩时，纳米管弯曲成为主要破坏模式。
• 网络中连接点数量显著影响机械响应：较高连接点密度（结构2）限制了纳米管的运动，导致应力集中加剧并提前破坏；而较低连接点密度（结构1）则通过滑动和滚动实现能量耗散。
• 基于β沸石的CNTnet（结构3）呈现出类似平行六面体的互穿网络结构，具有高刚性，导致压缩时因变形模式受限而发生整体结构坍塌。
• 原子模型的MD模拟结果与3D打印宏观结构的实验结果之间表现出强烈的定性一致性，证实了关键机械行为（如变形模式和破坏机制）的尺度无关性。