普林斯顿大学：3D打印让软材料像钢铁一样坚韧

一项有趣的研究成果在《Advanced Functional Materials》发表。

普林斯顿大学Davidson团队的新突破：

他们用不到一块钱的材料，创造出了一种能够随心所欲变换强度的新型智能材料。

这种材料不仅能实现强度的85倍跨度调节，更可以像变色龙一样随时改变性能，甚至具备自愈能力。

更令人惊叹的是，这项技术采用的原料价格仅为0.01美元/克，却能通过精妙的3D打印工艺实现堪比高端工程材料的性能。

这一突破不仅打破了软材料领域的性能瓶颈，更为可穿戴设备、医疗器械等前沿领域带来了新的解决方案。

让我们深入了解这项研究的核心发现。

研究团队通过高温直写（HOT-DIW）3D打印技术，实现了对TPE纳米结构的精确调控。

正如图1所示，整个过程涉及多个关键要素：

先看看加热体积挤出机系统的温度控制（图1a），这直接影响材料的流变性能；其次是SEBS（苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物）的分子链结构设计（图1b），这决定了材料的微相分离行为；最后是打印和热处理过程中材料结构的演变（图1c），这是实现性能调控的关键。

研究人员通过精确控制这些参数，成功制备出具有可控各向异性的样品，在平行和垂直方向表现出截然不同的力学性能（图1d）。

更令人兴奋的是，通过巧妙设计打印路径，研究者还实现了局部应力应变响应的精确调控（图1e）。

工艺创新：「软变硬」的关键技术

这项研究采用高温直写（HOT-DIW）3D打印技术，其核心在于通过定制的加热体积挤出系统实现对热塑性弹性体（TPE）的精确加工。建议收藏的工艺参数如下：

在160℃的喷嘴温度下，材料经过喷嘴内的剪切流和拉伸流作用，形成初始取向结构；随后材料被沉积到85℃的控温基板上，通过调节打印头移动速度和材料挤出速度的比值（拉伸比DR）来进一步调控材料取向。最后，在150℃下进行退火处理（单层10分钟，多层1小时），在氮气保护环境中优化材料的纳米结构和界面性能。整个工艺过程通过精确控制剪切率（0.00289-2.89 mm³/s）和打印速度（0.0075-18 mm/s），实现了对材料结构和性能的精准调控，最终获得具有高度可控各向异性的功能性软材料结构。

研究团队深入探索了打印参数对材料结构和性能的影响机制。通过系统的实验设计，他们发现喷嘴内的流动行为对材料结构具有决定性影响。

如图2所示，当材料通过打印喷嘴时，同时经历剪切流和拉伸流（图2a）。有趣的是，研究发现存在一个临界剪切率（约1 s^-1），这个参数成为调控材料性能的关键节点。

一个重要发现是热处理在优化材料性能中发挥的关键作用。当打印速率高于临界值时，热处理可以显著提升材料的结构各向异性（值提高）和机械各向异性（平行方向弹性模量可达50-100 MPa）。通过小角X射线散射（SAXS）分析，研究者观察到热处理导致散射峰的半高宽（FWHM）明显降低，这表明纳米结构经过重排获得了更好的有序度。

更深入的微观结构研究（图3）揭示了这一性能优化的本质。在低剪切率条件下，TPE的纳米结构在打印后就已形成良好的取向，热处理对其影响相对较小（图3a-c）。然而，在高剪切率条件下，打印后的结构存在大量缺陷，热处理则能促进PS（聚苯乙烯）结构域的愈合和重排，形成具有长程连续性的有序结构（图3d-f）。

透射电子显微镜（TEM）图像直观地展示了这一结构演变过程。另一个关键发现是拉伸倍率对材料性能的影响。

如图4所示，当材料被沉积到基板上时，通过调节打印头的移动速度可以产生附加的拉伸变形。研究表明，较高的拉伸倍率（DR>1）配合热处理，能够获得最优的结构和力学各向异性。

这种效应可能源于拉伸过程中产生的取向应力在材料冷却时被"冻结"，随后在热处理过程中得到释放和优化。

功能实现与应用前景

这项技术的实用性得到了充分验证。

如图5所示，研究团队成功制备了多种具有挑战性的结构：能够稳定跨越的叠层结构（图5a）、具有高长径比的花瓶（图5b），甚至实现了功能材料的复合打印，如添加发光材料的花朵装饰（图5c）。特别值得一提的是，该技术能够实现极高的打印精度，如图5d展示的多层"Princeton"字样完美展现了打印路径的精确控制能力。

精确到微米的性能秀：一种材料，千变万化

研究团队在机械性能的精准调控方面取得了突破性进展。

如图6所示，通过巧妙设计打印路径，他们实现了应力-应变响应的空间可编程性。最引人注目的是软硬段的串联排列结构（图6a），这种设计使得拉伸变形主要集中在软段区域，而硬段区域基本保持原有形状，直到软段达到约225%的应变。

这种应变隔离效应在生物医疗器械和可穿戴设备中具有重要应用价值。

进一步地，研究者开发出更复杂的软硬段串并联结构（图6b），实现了应变分布的梯度可控。通过理论建模和实验验证（图6c-e），他们准确预测了各个区段的力学响应。

这种可预测性为设计定制化功能结构提供了可靠的理论指导。

此外，材料还表现出显著的弯曲各向异性（图6f），这为开发具有特定变形行为的柔性器件开辟了新途径。

会自愈的未来材料：受伤不怕，循环再生

这项研究的另一重要亮点是材料的可持续性。

如图7所示，即使在经历超过屈服点的变形后，通过简单的热处理就能恢复材料的机械各向异性（图7a）。

更令人惊喜的是，材料具有优异的自修复能力（图7b）和可重复加工性（图7c）。

这种特性不仅降低了产品的维护成本，也为材料的循环利用提供了可能。

AM易道认为，这种可持续性特征在当前强调环保和循环经济的背景下具有特殊意义。

相比传统的化学交联弹性体，这种热塑性弹性体的可重复加工特性为降低材料废弃物提供了有效解决方案。

AM易道最后聊两句

这项研究还是非常值得收藏的：其不仅展示了3D打印在材料结构调控方面的独特优势，更为柔性电子、可穿戴设备等新兴领域提供了材料解决方案。

通过将商用TPE材料、创新打印工艺和简单后处理相结合，研究团队开创了一条兼具性能和成本优势的技术路线。

这可能预示着可重构软材料即将迎来产业化的希望。

未来，随着应用场景的不断拓展，这项技术有望在医疗器械、柔性电子、智能织物等领域催生新的商业机遇。

这是一个令人振奋的开始，但也仅仅是一个开始。

如何进一步优化工艺参数，如何扩大可用材料范围，如何实现更复杂的功能集成，这些都是值得整个行业持续探索的方向。

Reference:
1. https://doi.org/10.1002/adfm.202411812