Hình dạng hạt phụ gia in 3D có thể quyết định độ cứng của vật liệu composite

Nhóm nghiên cứu phát triển những hạt phụ gia có cấu trúc hình học được thiết kế trước bằng phần mềm, sau đó sản xuất bằng công nghệ in 3D độ phân giải cao. Các hạt này được trộn vào nền silicone để tạo thành vật liệu composite có tính chất cơ học khác nhau.

Đa dạng các loại hình của phụ gia trộn cùng silicon tạo thành vật liệu composite có tính chất khác nhau.

Trong thí nghiệm, các nhà khoa học tạo ra những hạt có dạng hình lập phương và dạng tetrapod – cấu trúc gồm nhiều nhánh tỏa ra từ một tâm. Các hạt có kích thước dưới milimet được sản xuất bằng công nghệ in 3D DLP, sau đó phân tán vào silicone.

Kết quả cho thấy thay đổi hình dạng hạt có thể làm thay đổi đáng kể cách vật liệu phản ứng khi chịu lực nén. Những hạt dạng tetrapod hoạt động hiệu quả hơn hạt hình lập phương có kích thước tương đương trong việc gia cường vật liệu.

Theo Đại học Tampere, composite chứa hạt tetrapod có thể cứng hơn tới 12,8 lần so với silicone nguyên bản. Đây là kết quả trong điều kiện thí nghiệm, không phải mức tăng có thể áp dụng mặc nhiên cho mọi loại composite hoặc mọi ứng dụng.

Nghiên cứu cũng đưa ra phương pháp so sánh hiệu quả của các hình dạng hạt trên cơ sở lượng vật liệu phụ gia thực tế được sử dụng. Cách đánh giá này giúp tránh tình trạng một mẫu có vẻ tốt hơn chỉ vì chứa nhiều vật liệu gia cường hơn.

Khả năng điều chỉnh hình dạng hạt có thể hữu ích trong nhiều lĩnh vực. Với robot mềm, một bộ phận có thể cần mềm để uốn cong nhưng cứng hơn ở một hướng nhất định để giữ vật thể. Trong y sinh, vật liệu cấy ghép hoặc giàn giáo mô cần có độ cứng tương thích với mô sinh học xung quanh.

Hình dạng hạt phụ gia in 3D có thể quyết định độ cứng của vật liệu composite

Thay vì phải thay đổi thành phần hóa học của vật liệu, các nhà khoa học có thể thử nghiệm nhiều cấu trúc hạt khác nhau để đạt tính chất cơ học mong muốn. Công nghệ in 3D cũng giúp sản xuất các hạt có hình dạng đồng nhất, điều khó thực hiện bằng những phương pháp nghiền hoặc tổng hợp thông thường.

Dù vậy, nghiên cứu hiện vẫn ở mức cơ bản. Việc đưa vật liệu vào sản xuất hàng loạt sẽ cần giải quyết các vấn đề về tốc độ in, chi phí, độ bền lâu dài và khả năng duy trì đặc tính khi vật liệu chịu tải lặp đi lặp lại.

Điểm mới của công trình nằm ở cách nhìn nhận phụ gia không chỉ là một loại vật liệu, mà còn là một cấu trúc có thể thiết kế. Đây có thể là hướng đi quan trọng để tạo ra các composite có tính chất cơ học được điều chỉnh chính xác hơn.

Video: In 3D từng phần, hoàn thiện nguyên con thuyền lớn bằng vật liệu composite.