LLNL：磁性響應超材料瞬間硬化3D打印結構

  勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）經常使用包括超材料在內的3D打印材料做出令人印象深刻的工作。現在，該實驗室引入了一類新的超材料，當暴露在磁場中時，它幾乎可以立即響應和加強3D打印結構。 LLNL稱材料為“現場響應機械超材料”或FRMM。它們涉及粘性的磁響應流體，其被注入空心支柱和3D打印格子束中。與其他4D打印材料不同，FRMM的整體結構不會改變。位于梁的核心中的流體的鐵磁顆粒響應于磁場形成鏈，使流體和晶格結構變硬。這發生在不到一秒鐘。該研究記錄在題為“現場響應機械超材料”的論文中。

  “在本文中，我們真的希望專注于具有可調屬性的超材料的新概念，即使它只是一個手工制作過程，它仍然突出了可以做的事情，這就是我認為真正令人興奮的事情，”主要作者Julie Jackson Mancini是LLNL工程師，自2014年以來一直致力于這個項目的研究。“已經證明，通過結構，超材料可以創造有時在自然界中不存在或者可以高度設計的機械特性，但是一旦你建立起來你堅持使用這些屬性的結構。這些超材料的下一個演變是可以調整其機械特性以響應外部刺激的東西。那些存在，但它們通過改變形狀或顏色來響應，而響應所花費的時間可能是幾分鐘或幾小時。使用我們的FRMM，整體形式不會改變，響應非常快，這使得它與其他材料區別開來。“

  研究人員將磁流變液注入基于LLNL大面積投影微光刻（LAPμSL）平臺的空心晶格結構中，該平臺能夠使用光和光敏聚合物樹脂在寬區域內對具有微尺度特征的物體進行3D打印。根據Mancini的說法，LAPμSL機器在新的超材料的開發中發揮了重要作用，因為復雜的管狀結構需要用薄壁制造并且能夠保持流體包含，同時承受填充過程中產生的壓力和對磁場的反應。

  通過改變所施加的磁場的強度，流體的加強以及3D打印結構的加強是可逆的和可調的。“真正重要的是它不僅僅是一個開關響應，通過調整所施加的磁場強度，我們可以獲得廣泛的機械性能，”曼奇尼說。 “實時遠程可調性的想法為許多應用打開了大門。”

  這些應用包括沖擊吸收，例如汽車座椅，其中集成了流體響應超材料以及可以檢測碰撞的傳感器。座椅在撞擊時會變硬，可能會減少傷亡。其他應用包括頭盔，頸部支架，光學組件外殼或軟機器人。

  為了預測晶格結構如何響應所施加的磁場，現在為國家實驗室工作的前LLNL研究員Mark Messner從單支柱測試開發了一個模型。從他開發的模型開始預測非可調靜態晶格結構材料的機械性能，他補充說明了磁場響應流體如何影響磁場下的單個晶格元件，并將單個支柱的模型合并到設計好的單元格里，然后，他將模型校準到實驗中，Mancini在類似于格子中的支柱的流體填充管上進行實驗。研究人員使用該模型來優化晶格的拓撲結構，找到隨著磁場變化而導致機械性能發生較大變化的結構。

  “我們研究了彈性剛度，但模型（或類似模型）可用于針對不同類型的目標優化不同的晶格結構，”Messner說。 “可能的晶格結構的設計空間是巨大的，因此模型和優化過程幫助我們在打印，填充和測試實際樣品之前選擇具有有利特性的可能結構。

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