研究发现新型3D打印材料 可用于更轻、更安全的汽车设计

盖世汽车讯 据外媒报道，科学家发现通过将常用塑料与碳纳米管结合可制成一种新型3D打印材料，比铝更坚硬，但质量更轻。该材料可用于打造更安全、更轻和更耐用的结构，适用于航空航天、汽车、可再生能源和海洋工业等领域。

在期刊《Materials & Design》发表的一篇新论文中，由格拉斯哥大学工程师领导的研究小组描述了新型的板栅多孔超材料（plate-lattice cellular metamaterial）的开发过程，该材料可抵抗超大力冲击。超材料指的是一些具有人工设计的多孔材料固体，并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质。板栅（plate-lattices）是一种超材料，是由相交的板层制成的立方结构。工程师将板层空间称为孔隙率，虽空间较大，但却具有超高刚度和强度，且令板栅非常轻便。

（图片来源：格拉斯哥大学）

研究人员还对由其开发的塑料与纳米管复合材料制造的新型板栅设计进行研究，判断其是否可以使超材料具有更高的刚度、强度和韧性。该复合材料由聚丙烯和聚乙烯混合物，以及多壁碳纳米管构成。聚丙烯和聚乙烯是成本低、可重复使用的塑料，广泛应用于塑料袋和瓶子等日常用品；多壁碳纳米管是一种由碳原子构成的细丝。

研究人员使用其纳米复合材料作为3-D打印机中的原料，构建出一系列的板栅设计。随后，对这些设计进行冲击测试，将重16.7千克的物体在一定高度释放，以确定其承受物理冲击的能力。

首先，团队对三种典型板栅进行了测试，分别是：由三个板相交形成的简单立方体；带有附加相交板的复杂立方体；以及多面体。典型板栅分两批生产，一批采用聚丙烯，而另一批采用聚乙烯。随后，对另外三个结合典型板栅设计功能的“混合”板栅进行测试，分别是：简单/复杂立方体混合体；简单/多面体混合体；和简单/复杂/多面体混合体。同样分批分别采用聚丙烯和聚乙烯制成。

实验证明，结合三个典型板栅元素设计的混合体可以吸收最多冲击力，其中，聚丙烯版本抗冲击性能力最强。通过采用“比吸能”法，即一种可以确定材料相对于其质量的能量吸收能力，研究小组发现，聚丙烯杂化板栅可以承受每克19.9焦耳的能量，优于铝离子超材料中其他类似微体系结构。

该研究项目由詹姆斯·瓦特工程学院Shanmugam Kumar博士领导。研究小组成员还有来自阿布扎比哈里发大学和德克萨斯农工大学的机械和化学工程师们。

Kumar博士表示：“该研究属于力学和材料的交汇处。目前已经开发出碳纳米结构丝，并将其用作3-D打印的原料。该材料与混合复合板栅设计可以实现很好的平衡，从而呈现出超凡刚度和强度性能，并具有超强的能量吸收特性，远超其他铝离子超材料。这正是在追求轻质工程的过程中，人们一直寻找的高性能、超轻质材料。”

他还表示：“定制孔隙率是此次板栅设计的基础，而3D打印技术的进步使制造具有定制孔隙率的复杂几何形状更简单且便宜，使得该设计实现产业规模生产成为现实。新型板栅设计可被用于汽车制造。设计师们一直致力于在保障碰撞安全性的同时，制造出轻量车身。目前，大多数汽车板栅设计采用的材料为铝，但是新型板栅抗冲击性更大，未来将会更多应用于汽车行业。在世界走向净零排放的过程中，新型板栅采用可回收塑料令其更具潜力。未来，循环经济将是地球可持续发展的核心。”