西湖大學(xué)周南嘉團(tuán)隊(duì):通過模塊化設(shè)計(jì)的擠出頭調(diào)控纖維內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)

具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多材料一維（1D）纖維一直是科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其柔性、可擴(kuò)展性和多功能性使纖維廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、發(fā)光器件、儲(chǔ)能設(shè)備、傳感器和藥物輸送裝置等應(yīng)用。其中，周期性結(jié)構(gòu)纖維可以通過對(duì)周期的設(shè)計(jì)和調(diào)控，顯著提高纖維的性能和功能。將一維纖維組裝成二維圖案或三維結(jié)構(gòu)將大大擴(kuò)展其應(yīng)用空間。然而，傳統(tǒng)的纖維加工方法（包括熔融紡絲、溶液紡絲和靜電紡絲）需要編織、針織等后紡絲工藝，這限制了生產(chǎn)效率，并給材料選擇和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造帶來了困難。

與傳統(tǒng)制造相比，增材制造 (AM) 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和快速成型的優(yōu)勢(shì)。利用 3D 打印技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)微觀和宏觀結(jié)構(gòu)的制造。其中，直接墨水書寫 (DIW) 是一種被廣泛使用的多材料擠出加工方法，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。為了擴(kuò)展擠出過程中多種材料的可編程性，微流體擠出頭設(shè)計(jì)已被用于創(chuàng)建多功能纖維結(jié)構(gòu)。然而，由于高分辨率微流道的設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，目前擠出頭的結(jié)構(gòu)選擇仍然有限。

基于此，西湖大學(xué)工學(xué)院周南嘉團(tuán)隊(duì)提出了一種模塊化策略設(shè)計(jì)擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結(jié)構(gòu)的 3D 物體。不同功能的模塊可以通過串聯(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)等不同的方式進(jìn)行連接組裝，用來制備具有層狀結(jié)構(gòu)和棋盤結(jié)構(gòu)的多材料纖維。纖維內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，模塊的種類數(shù)量和尺寸進(jìn)行控制。通過模塊化平臺(tái)策略，極大的簡(jiǎn)化了擠出頭設(shè)計(jì)的難度，提高了具有周期性結(jié)構(gòu)纖維的加工效率。該擠出頭是利用摩方精密nanoArch® P140和S140 高精度DLP 3D打印設(shè)備（精度：10μm）一體化成型制造而成。

通過研究團(tuán)隊(duì)的策略，兩種具有相似流變性能和不同機(jī)械性能的不混溶材料用于共擠出。周期性結(jié)構(gòu)可以顯著提高纖維和晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。首先，對(duì)于硬/軟硅橡膠復(fù)合彈性體，層狀結(jié)構(gòu)纖維展現(xiàn)出最高的斷裂韌性（14.009 KJ/m2），分別是均質(zhì)軟硅橡膠和硬硅橡膠的1.8和11.8倍。其次，受生物珍珠殼狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，加工得到環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復(fù)合材料，纖維的增韌效果表現(xiàn)出明顯的各向異性行為。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過控制打印路徑，在3維木樁結(jié)構(gòu)中對(duì)周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間編程，使打印結(jié)構(gòu)在壓縮測(cè)試中不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)損壞。與直接混合的復(fù)合材料相比，層狀結(jié)構(gòu)的纖維的韌性和交錯(cuò)木樁結(jié)構(gòu)的能量吸收能力表現(xiàn)出了顯著的增強(qiáng)，分別提高了 4.3 倍（10.45 MPa）和 6.5 倍（12.43 J/g）。

本研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads"為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Additive Manufacturing》上。西湖大學(xué)博士生任靖波為論文第一作者，西湖大學(xué)特聘研究員周南嘉為論文通訊作者。本研究得到了西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心，先進(jìn)微納加工與測(cè)試平臺(tái)，物質(zhì)科學(xué)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的大力支持。

圖1. 模塊化擠出頭和打印結(jié)構(gòu)。(a)：模塊化擠出頭打印設(shè)備和打印 3D 結(jié)構(gòu)的示意圖。放大的部分顯示了具有內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的基本單元倍增器 (BME) 設(shè)計(jì)。(b)：通過分裂、堆疊、擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)流體強(qiáng)制倍增的過程。(c)：組裝策略對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的影響。模塊化擠出頭設(shè)計(jì)以及對(duì)應(yīng)于串聯(lián)和串并聯(lián)擠出頭各個(gè)部分的理論纖維結(jié)構(gòu)——包括入口模塊 (IM)、倍增模塊 (MM)、出口模塊 (OM) 和連接模塊 (CM) 等功能模塊、纖維內(nèi)部周期性圖案示意圖以及串聯(lián)和串并聯(lián)組裝策略的打印纖維的橫截面照片。比例尺，2 mm (a), 100 μm (c)。

圖2. (a):串聯(lián)(左)和串并聯(lián)擠出頭(右)的照片。(b):定制的四軸打印平臺(tái)(左)和在3D打印設(shè)備中組裝的擠出頭(右)。比例尺，5 mm (a)。

圖3. 纖維內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)控。(a-b)：粘度匹配對(duì)層均勻性的影響。(c)：流量比對(duì)層厚度的影響。(d-e)：多層結(jié)構(gòu)纖維的橫截面照片與實(shí)際層厚與理論層厚的比較。比例尺，100 μm(c,d)。

圖4. 硬/軟硅橡膠層狀復(fù)合彈性體的力學(xué)性能。(a)：硬/軟硅橡膠墨水的流變行為。(b)：組分對(duì)彈性體韌性的影響。(c)：層狀結(jié)構(gòu)增韌機(jī)理與復(fù)合彈性體纖維在拉伸試驗(yàn)過程中相應(yīng)的斷裂過程。(d)：層數(shù)對(duì)彈性體韌性的影響。(e)：韌性和臨界應(yīng)變的比較。比例尺，100 μm (a)，1 mm (c)。

圖5. 環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復(fù)合纖維的力學(xué)性能。（a）：環(huán)氧樹脂/硅橡膠墨水的流變行為。（b）：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖和相應(yīng)的長絲應(yīng)力分布。（c）：復(fù)合纖維的測(cè)試方向。（d）：組分對(duì)復(fù)合材料模量和韌性的影響。（e）：層狀結(jié)構(gòu)阻止裂紋擴(kuò)展進(jìn)行增韌。（f）：層數(shù)對(duì)復(fù)合材料韌性的影響。比例尺，100 μm (a)，1 mm (e)。

圖6. 3D交錯(cuò)木樁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。（a）：打印路徑示意圖。（b）：壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）：打印結(jié)構(gòu)在壓縮測(cè)試中相應(yīng)的失效過程。比例尺，5 mm（c）。

通過引入更多功能模塊和不同的組裝方式，可以設(shè)計(jì)高度可定制化的擠出頭，以制備具有奇異性能和新功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)纖維。設(shè)計(jì)的靈活性和材料兼容性使研究團(tuán)隊(duì)的策略在建筑、光電、生物醫(yī)學(xué)支架等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。