Nature正刊重磅！3D打印超弹超强超韧光敏材料

3D打印技术以其卓越的设计自由度和定制化能力，在复杂结构制造领域备受青睐。

但在实际应用中，3D打印材料性能不足一直是个硬伤，制约了其在大规模生产中的应用。

虽然近年来光固化3D打印技术在打印速度上取得了重大突破，但打印材料的力学性能仍然远逊于传统加工工艺。

这主要是由于快速光固化对分子设计提出了苛刻要求，限制了材料性能的优化空间。

但现在，这一切都将被改写！

浙江大学研究团队在Nature正刊上发表了一项开创性研究成果：

他们利用动态共价化学成功打破了3D打印材料设计的禁锢，研发出一种超强韧3D打印弹性体：

拉伸强度高达94MPa，断裂韧性达310MJ/m3，性能全面超越现有3D打印弹性体，即便与工程塑料相比也毫不逊色！

更重要的是，这种材料完全采用常见且低成本的商用化学品，通过巧妙的分子设计和后处理实现了性能的逆天提升。

这一突破性成果有望大幅拓宽3D打印技术在航空航天、软体机器人、生物医疗等高端制造领域的应用，并为高性能3D打印材料的开发指明了全新方向。

核心研究成果：巧用动态共价键，构筑增韧机制

那么，浙大团队是如何实现这种3D打印材料性能的逆天提升的呢？

上图复杂的分子式给出了这个问题的答案。AM易道并不是材料及化学的专家，但试图用通俗的语言尝试解释一下：

研究人员设计了一种特殊的"光敏单体"，这种分子就像一串项链，项链的主链上装饰着一种叫"位阻脲"的结构，相当于一个个的"盒子"；而在项链的侧边，还吊着许多"羧酸"的"挂件"（上图a）。

当用这种"项链"进行光固化3D打印后，打印出的材料就像一张大网。如果把这张网放在90℃的环境中加热，神奇的事情就发生了：原本紧闭的"盒子"会打开，变成一种叫"异氰酸酯"的活泼小分子；

这些小分子就像一只只自由的手，会主动去抓住附近的"羧酸"挂件以及空气中的水分子，形成牢固的酰胺和脲键，将整张网紧紧地连接在一起（上图b）。

这个过程就像是在网络中不断地拆线重连，使得原本松散的网变得更加紧密和坚固，形成了一种互穿网络的结构。

为了证实这个过程真的会发生，研究人员还专门设计了一些模型小分子，让它们在加热条件下反应，并仔细观察它们的变化。

结果发现，随着加热的进行，代表"盒子"和"挂件"的小分子越来越少，而代表"连接件"的小分子越来越多（上图c-e），完全符合他们预想的变化过程。

通过这样一种巧妙的分子设计和热处理方法，研究人员最终得到了一种结构更紧密、力学性能更优异的3D打印材料。

这就像是给3D打印材料做了一次改造，使其从松散的"棉花"变成了坚韧的"蜘蛛丝"。

上图展示了浙大团队研发的这种超强韧3D打印弹性体的力学性能：

热处理6小时后，材料的拉伸强度高达94.6MPa，断裂伸长率达到909%，对应的断裂韧性高达310.4MJ/m3。

这样的性能水平，放眼所有已报道的3D打印弹性体都可谓出类拔萃，即便与工程塑料相比也毫不逊色。

更令人惊喜的是，即使在大变形情况下，这种材料仍然能展现出色的韧性和弹性。

实验表明，即使在拉伸应变高达700%时，材料仍能通过应变硬化机制阻止断裂的发生（上图d）。

由此可见，浙大团队研发的这种超强韧3D打印弹性体在力学性能方面已经达到了前所未有的新高度，有望彻底颠覆人们对3D打印材料性能的传统认知。

增韧机制的通俗总结

上图中的机理研究进一步揭示，正是这种独特的分子设计和动态键重排策略，通过多种机制的协同作用，最终赋予了3D打印弹性体超强韧的力学性能。

这种3D打印材料为什么会有超强韧的力学性能，可以通俗地理解为三个方面的原因共同作用的结果：

首先，就像我们用绳子编织物品时，如果绳子互相穿插编织，形成的结构会更加牢固。

同样的道理，通过加热处理，3D打印材料内部的分子链会发生重排，形成互穿的网络结构。

这种结构就像用几张渔网叠加编织到一起，使得材料能够更有效地传递外力，不容易被拉断。

其次，加热处理还能在材料内部形成两种化学键：酰胺键和脲键。

这两种化学键就像两种魔术贴，它们通过氢原子形成许多层次的连接，将分子链紧密地粘合在一起。

更神奇的是，当材料受到拉伸变形时，这些氢键会不断地断裂又重新结合，就像一根根保险绳，通过不断地断裂吸收外力，防止材料破坏。

最后，在材料内部还会形成一种"纳米多相结构"。

这种结构可以想象成一块牛肉，不同的分子链段会聚集形成不同的筋膜团。

当有裂纹试图在材料中扩展时，这些筋膜团会阻挡裂纹前进的道路，这种结构还能在材料受力时发生硬化，进一步增强材料的强度和韧性。

这三种机制的共同作用，最终赋予了这种3D打印弹性体超高的强度和韧性，使其在各种极端条件下都能保持优异的力学性能，在3D打印材料领域开辟了一片新天地。

不仅仅是弹！还能抗撕裂、抗穿刺、抗损伤

除了超高的拉伸强度和韧性，这种3D打印弹性体还展现了优异的弹性和多方面的机械性能。

上图展示了这种超强韧3D打印弹性体的优异弹性和机械性能。

上图a是材料在100%应变下的循环加载-卸载曲线。

可以看出，材料在卸载后能够快速回复，第二次加载曲线与第一次几乎重合，表现出优异的弹性。

上图b直观地展示了材料的弹性。样品被拉伸到400%应变后卸载，5分钟内就能恢复到原始长度，展现了非凡的弹性回复能力。

上图c比较了带有和不带有缺口样品的拉伸性能。

即使预制了缺口，材料仍然能达到20.9MPa的拉伸强度和526%的断裂伸长率。

上图d展示了带缺口样品在拉伸过程中的照片，可以看出材料具有优异的抗刻痕性能。

上图e是带缺口样品在拉伸过程中的双折射图像。在小应变下，应力集中在缺口尖端；但在大应变下，应力逐渐均匀分布，缺口尖端的应力集中得到缓解，体现了材料的优异韧性。

上图f是材料的撕裂实验结果。

随着样品宽度从5mm增加到10mm,撕裂强度从6.5N提高到10.7N，撕裂能从43.4kJ/m2提高到71.2kJ/m2，表现出优异的抗撕裂性能。

上图g是材料的抗穿刺性能测试结果。

一个厚度仅为0.8mm的薄膜，就能承受74.4N的最大穿刺力，展现了非凡的抗穿刺能力。

可以看出上图全面展示了这种3D打印弹性体的力学性能：它不仅具有超高的拉伸强度和韧性，而且具有优异的弹性、抗刻痕性能、抗撕裂性能和抗穿刺性能。

这些优异的力学性能，正是其广阔应用前景的基石。

3D打印效果优异

上图展示了利用该超强3D打印弹性体制备的几个实物样件。

由于其优异的力学性能，这种材料不仅可用于打印出几何形状复杂、细节精细的结构件（上图a）

更可制备出可承受极端变形而不破裂的薄壁气囊（上图b）。

上图d, e展示了用这种材料打印的气动执行器，不仅能轻松举起200g重物，还能稳定抓取表面带尖刺的金属球。

3D打印材料研究及设计范式的重大突破

AM易道认为，浙大团队这项登上Nature正刊的研究工作有多重里程碑式的意义。

首先，它突破了3D打印聚合物材料“机械性能差”的传统桎梏，首次将3D打印材料的强度和韧性提升到媲美工程塑料的水平。

其次，它开创了高性能3D打印材料的分子设计新范式。

通过在3D打印单体分子中引入动态共价键，并利用热处理实现可控网络拓扑重构，同时巧妙构筑多种协同增强机制，最终实现了性能的跃升。这无疑为高性能3D打印材料的开发指明了方向。

再次，这种超强韧3D打印弹性体基于低成本易得的商业化学品，采用简便可控的合成工艺，十分有利于其产业化应用。

应用前景广阔，商业价值无限

这项研究成果不仅在学术上具有重要意义，其应用前景和商业价值更是不容小觑。

正如原文所述，柔性和弹性的结合使弹性体材料在汽车、建筑、消费品等众多传统领域不可或缺。

而这种超强韧3D打印弹性体的出现，将大大拓宽弹性体材料的应用边界，特别是在一些新兴领域展现出巨大的应用潜力。

微流体装置、软体机器人、可穿戴电子设备、医疗器械等领域，都对材料的柔韧性、强度、可加工性提出了更高要求。

这种新型3D打印弹性体材料，以其优异的力学性能和精细的3D打印成型能力，有望成为这些领域的明星材料，助力相关产业加速发展。

除了原文提及的领域外，AM易道认为：

这种超强韧3D打印弹性体材料在航空航天、个性化防护、体育用品等领域也有广阔的应用前景。

例如，用这种材料打印的减震部件，既有优异的力学性能，又可以实现轻量化设计，有望用于航天器、飞行器等对材料性能要求极高的装备中。

随着这种材料3D打印工艺的不断成熟和优化，其应用领域必将不断拓展，市场规模也将不断扩大。

写在最后

浙大团队这项工作以其在3D打印材料领域的开创性贡献而荣登Nature正刊，充分彰显了我国在3D打印基础研究领域的国际领先地位。

它昭示着3D打印材料设计正迈入"分子定制"的崭新时代。

在分子层面精准设计，将化学和材料的前沿探索与3D打印技术巧妙结合，最终实现了材料性能的突破性提升。

AM易道相信，唯有在基础研究领域持续突破，3D打印技术才能不断迭代升级，焕发出更强大的生命力，我国的3D打印产业才能在更高的起点上引领世界潮流！

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-07588-6