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受动物启发,西安交通大学3D打印新进展:直写制备减阻、防污的柔性材料

受动物启发,西安交通大学3D打印新进展:直写制备减阻、防污的柔性材料

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-12-27 14:45
  • 访问量:

【概要描述】

受动物启发,西安交通大学3D打印新进展:直写制备减阻、防污的柔性材料

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2022年12月20日,西安交通大学秦立果团队等在《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》上发表题为Flexible surfaces prepared through direct ink writing with drag reduction and antifouling(通过直接墨水书写制备具有减阻和防污的柔性表面)的研究论文,借鉴鲨鱼皮肤表面的结构纹理,制备了一种PDMS材料的柔性表面,表现出优异的减阻和防污的功能。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.130233

  文章简介  

鲨鱼皮表面的肋条结构为其提供了显著的减阻和防污作用。受鲨鱼皮肤结构的启发,研究人员通过修改聚二甲基硅氧烷PDMS的流变性能,提出了一种直接墨水书写策略,使其可打印,并创建了一系列具有减阻和防污的柔性表面。试验证明,打印非光滑表面能有效降低水阻,在0.06 m/s时,最大减阻率可达18.16%。通过对壁面附近流场特征的分析,探讨了肋面减阻机理。此外,防污试验表明,3D打印的柔性表面具有良好的抗污性,抑制了污垢在表面的扩散。该研究结果可能为船舶、水下航行器和可穿戴设备提供一种新的表面材料制备策略,以减少阻力和污染物粘附,提高导航效率和寿命。

  研究背景  

鲨鱼是海洋中的快速游泳者,粗糙的皮肤表面覆盖着紧密排列的肋状结构。受到鲨鱼皮的启发,一些应用已经被开发出来,类似紧身泳衣和船舶表面。制备仿生鲨鱼皮肤的传统方法有掩膜加工、翻模光刻和融合沉积建模(FDM)打印;然而,这些方法在大规模制备样品和经济成本上并不具备优势。此外,通过这些方法所制备的材料是硬的,不能弯曲以适应其他物体的外部。直写(direct ink writing, DIW)是近年来增材制造的一种新型技术,其材料性能易于调节,加工过程简单,成本低,DIW提供了广泛的定制选项,可以应用于各种材料。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种常见的柔性商用硅橡胶,由于其优异的力学性能,是仿生结构设计的理想选择。例如通过气/水界面形成技术制备仿生鱼鳞结构PDMS薄膜, 采用其制备的压力传感器具有优异的性能。虽然PDMS有利于仿生柔性设计,但传统的制造方法难以实现定制性,且效率低。因此,选择DIW直写3D打印工艺可以解决这些缺点。

本研究提出了一种快速制备整合式PDMS减阻防污非光滑表面的DIW直写3D打印策略。通过添加适量的PTFE微粉来调节PDMS的流变性能,以满足DIW的要求。然后,研究了打印角度对材料力学性能的影响,并在非光滑表面上选择了合适的打印角度。在前人工作的基础上,利用鲨鱼皮的特征参数设计了不同结构的表面。表面减阻试验和仿真结果表明,所设计的结构比光滑表面减阻效果更好。此外,其中几个表面表现出优异的防污性能。

图1 (a)聚四氟乙烯改性PDMS墨水的示意图。(b)宏观图像,比例尺:10mm;聚四氟乙烯微粉的TEM形貌。(c)高粘度墨水的光学图像,比例尺:10 mm。(d) PDMS和不同墨水的宏观流动性,比例尺:20 mm。

图2 (a) PTFE、PDMS和墨水的FTIR光谱。(b) PTFE、PDMS和墨水的XRD谱图。

图3宏观图像:(a) 3D打印不同形状和图案的PDMS产品,比例尺:5mm (b)柔性表面,比例尺:10mm, (c)打印图案:XTu标志,手上的猫,比例尺:10mm。(d)晶格结构,比例尺:10mm。(e) XTu标志,比例尺:1mm。(f, g)晶格结构产品显微图像,比例尺:500 m。

图4。(a)拉伸试验过程中不同打印角度试样的应力-应变曲线。插入图说明了打印角度的示意图。(b)不同角度打印样品的杨氏模量。(c)不同填充比试样压缩试验时的应力-应变曲线横杆:10mm。(d)不同填充率下样品的杨氏模量。

图5 (a)打印样品表面宏观图像,比例尺:20 mm。(b)不同打印样品表面的三维形貌。(c)打印样品表面轮廓曲线。(d)不同打印样品表面的显微图像,比例尺:400 微米。

图6 (a)实验台。(b)水中阻力测量面示意图。(c)阻力测量表面,比例尺:20 mm。(d)不同印刷表面实验和模拟减阻率的比较。

图7 (a)计算领域。(b)壁y+值验证。(c)入口速度为0.08 m/s时不同打印表面的壁面剪切云图。

图9 (a)在沉积物混合物中浸泡的打印样品,比例尺:20毫米。(b)沉积物混合物,比例尺:20毫米不同的打印样品。

图10 (a, b)石蜡油和咖啡在不同打印样品表面的扩散情况,比例尺:400 um。(c) 20 s后石蜡油和咖啡在不同印刷表面的扩散半径速率。(d)咖啡液滴在不同印刷表面随倾斜角度的变化。

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