格拉斯哥大學領導的工程師團隊使用 3D 打印技術為稱為聚醚醚酮或 PEEK的塑料添加了新特性。這種新型輕質、抗沖擊的塑料“蜂窩”結構可以感知何時受損,可用于新型“智能”假肢和醫療植入物。

科學家使用3D打印技術開發自感應PEEK

將非導電材料轉化為導電材料


PEEK 的機械性能以及耐高溫和耐化學品性使其可用于航空航天、汽車和石油和天然氣領域的廣泛應用。該團隊在其蜂窩 PEEK 結構中添加了微型碳纖維,使這種通常不導電的材料能夠在其整個結構中攜帶電荷。


他們想研究損壞其導電蜂窩 PEEK 復合材料是否會影響其電阻。如果是這樣,它可以賦予新材料“自我感知”的能力——例如,允許髖關節植入物報告其導電性何時發生變化,表明它已經磨損并需要更換。

科學家使用3D打印技術開發自感應PEEK

不同的蜂窩組合


為了測試他們設計的自感知能力,他們使用 3D 打印創建了三種不同的蜂窩結構:六邊形結構、十字形手征結構和使用碳纖維 PEEK 材料和傳統材料的六面折返設計。窺視。


然后,他們讓細胞結構承受兩種類型的載荷,以比較它們各自吸收能量的能力。在擠壓測試中,在結構坍塌之前施加一致的壓力,碳纖維 PEEK 的每種設計都優于其傳統的 PEEK 對應物,后者能夠承受更高的壓力。


然而,在沖擊測試中,當重物從高處落到結構上時,三種碳纖維 PEEK 結構表現出更強的抗損壞能力。碳纖維 PEEK 的六邊形蜂窩結構具有最佳響應,比其他任何一種都能承受更大的影響。


在壓碎測試中,研究人員還測量了碳纖維 PEEK 蜂窩結構在三種不同結構受到應變時對電荷的抵抗力。外加應變電阻的變化——一種被稱為壓阻靈敏度的損傷進展量度——隨著壓縮應變的增加而降低,當結構被完全壓碎時,電阻幾乎完全喪失。觀察到的不同配置的不同規格因子與其吸收能量的能力相關的損傷增長速率相關,這表明碳纖維 PEEK 的壓阻性可能有助于創建新一代智能輕質多功能結構。


未來在眾多行業的應用


格拉斯哥大學詹姆斯瓦特工程學院的 Shanmugam Kumar 博士是該論文的通訊作者,他說, PEEK 的獨特性能使其對許多工業部門來說都是無價的,我們希望碳纖維工程 PEEK 蜂窩我們能夠通過 3D 打印構建的結構將開辟更多的可能性。


3D 打印使我們能夠極大地控制蜂窩結構的設計和密度。與傳統上用于醫療植入物(如髖關節或膝關節置換術)的固體金屬合金相比,這可能使我們能夠制造出更接近天然骨骼生理的材料,從而可能使它們更舒適、更有效。


我們希望我們開發的這些微工程輕量級自感應 PEEK 的細胞形式將在廣泛的領域中找到新的應用,不僅在假肢和其他醫療設備中,而且在汽車設計、航空航天工程和石油和天然氣部門。


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