格拉斯哥：研究突破有望实现自感应材料

可视化自感应材料的智能行为：该图像显示了智能材料如何感知自身形状/状态的变化。当材料被挤压时（左：无挤压，右：挤压 20%），电流流经它的方式会发生变化。这种“感觉”和检测变化的能力可用于实时监测车辆或飞机的健康状况，从而提高安全性和性能。

通过允许材料科学家首次提前预测如何微调新结构以产生强度、刚度和自感应特性的特定组合，它可以帮助促进该技术的革命性新应用的开发。

在航空航天和汽车行业，利用该团队的见解生产的新材料可以实时监测飞机、航天器和车辆部件的结构完整性，从而提高安全性和维护效率。

对于土木工程，这些材料可以通过对桥梁、隧道和高层建筑的结构进行持续评估，在问题导致倒塌之前尽早发现问题，从而促进智能基础设施的发展。它们可以为自动化制造中工作的机器人提供类似的好处，甚至帮助战场上的士兵密切关注防弹衣板的完整性。

3D 打印，也称为增材制造，可以通过使用塑料、金属或陶瓷等材料逐层构建复杂结构来创建复杂结构。

随着技术的发展，研究人员已经能够创造出具有独特特性的越来越复杂的材料。例如，在结构的内部引入蜂窝状腔室格子，可以使材料巧妙地平衡重量和结构强度。

在整个材料中编织碳纳米管的细丝可以使它们携带电流，使它们能够通过一种称为压阻性的现象来监测自身的结构完整性。当电流读数发生变化时，它可能表明材料已被压碎或拉伸，从而可以采取措施来解决故障。

格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的 Shanmugam Kumar 教授领导了这项研究，该研究作为一篇文章发表在《先进功能材料》杂志上。他说：“赋予 3D 打印的蜂窝材料压阻行为，使它们能够在没有任何额外硬件的情况下监控自己的性能。这意味着我们可以为廉价、相对容易制造的材料注入非凡的能力，以检测它们何时受到伤害并测量它们的损坏程度。这些类型的晶格材料，我们称之为自主传感架构材料，在创造各个领域的高级应用方面具有巨大的未开发潜力。

“虽然研究人员已经了解这些特性有一段时间了，但我们无法做的是提供一种方法来提前了解创造新型自感应材料的新尝试将有多有效。相反，我们经常依靠反复试验来确定最佳方法用于开发这些材料，这可能既耗时又昂贵。

在论文中，研究人员描述了他们如何通过一系列严格的实验室实验并结合建模来开发他们的系统。

他们使用一种称为聚醚酰亚胺（PEI）的塑料与碳纳米管混合，创造了一系列四种不同的轻质晶格结构设计。然后测试这些设计的刚度、强度、能量吸收和自感应能力。

使用复杂的计算机建模，他们开发了一个系统，旨在预测材料如何响应一组不同的载荷。然后，他们通过在真实条件下对材料进行密集分析来验证他们的多尺度有限元模型的预测，利用红外热成像实时可视化流经材料的电流，利用这些材料内的热流和电流之间的类比。

他们发现，他们的模型可以准确预测材料如何响应各种应力和应变组合，以及它们的电阻将如何受到影响。这些结果可以通过在打印第一个真实原型之前深入了解拟议的新材料的性能，从而帮助支持增材制造的未来发展。

该研究建立在该团队之前的发展基础上，该团队最近发表了一篇论文，展示了另一种建模方法，该方法使研究人员能够预测增材制造引起的缺陷如何影响任何新设计的结构完整性。

Kumar 教授补充道：“通过这项研究，我们开发了一个全面的系统，能够对自感应 3D 打印材料的性能进行建模。它以严格的实验和理论为基础，代表了同类系统中第一个能够在多个尺度上对 3D 打印材料进行建模并结合多种物理类型的系统。

“虽然我们在本文中专注于嵌入碳纳米管的 PEI 材料，但我们的结果所基于的多尺度有限元建模可以很容易地应用于也可以通过增材制造制造的其他材料。

“我们希望这种方法能鼓励其他研究人员开发新的自主传感架构材料，从而在各行各业的材料设计和开发中释放这种方法的全部潜力。”

Mattia Utzeri 是格拉斯哥可持续多功能材料和增材制造（SM2AM）实验室的前博士生，目前是意大利马尔凯理工大学的研究员，与土耳其伊斯坦布尔技术大学的合作者一起为这项工作做出了贡献。该团队的论文题为“Autonomous Sensing Architected Materials”，发表在 Advanced Functional Materials 上。