設(shè)想一種3D打印材料，能夠在問題惡化前主動探測潛在故障。格拉斯哥大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)正通過構(gòu)建模擬系統(tǒng)，致力于實(shí)現(xiàn)具備自感知能力的復(fù)合材料。這類材料通過分析電流變化即可測量電壓、電荷或損傷程度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，為多領(lǐng)域安全保障與質(zhì)量控制開辟全新路徑。

    自感知材料的研發(fā)機(jī)制

    格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的ShanmugamKumar教授主導(dǎo)該項(xiàng)研究。他指出："通過賦予3D打印蜂窩材料壓阻特性，無需外接傳感器即可實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)測。"研究團(tuán)隊(duì)將聚醚酰亞胺（PEI）與碳納米管復(fù)合，采用熔絲制造（FFF）工藝制備出四種輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)。這些"自主感知建筑材料"經(jīng)嚴(yán)格測試，重點(diǎn)評估其剛度、強(qiáng)度、能量吸收能力及核心的自監(jiān)測性能。

    工程師構(gòu)建的計算機(jī)模型可精準(zhǔn)預(yù)測材料對各類機(jī)械應(yīng)力的響應(yīng)特性。該預(yù)測通過實(shí)物測試驗(yàn)證：借助紅外熱分析技術(shù)，使電流在材料中的傳導(dǎo)路徑可視化，證實(shí)模型預(yù)測的準(zhǔn)確性及材料通過電阻變化感知形變的能力。

    模型驅(qū)動的設(shè)計優(yōu)化

    Kumar教授強(qiáng)調(diào)模型對材料設(shè)計的革新價值："盡管壓阻特性早已為學(xué)界所知，但缺乏有效手段預(yù)判新型自感知材料的研發(fā)效能。傳統(tǒng)研發(fā)依賴試錯法，周期長且成本高昂。"

    跨行業(yè)應(yīng)用圖景

    該技術(shù)展現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)價值極具想象力。航空航天與汽車領(lǐng)域可借此實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵部件狀態(tài)，提升設(shè)備安全性與維護(hù)效率；橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施可通過材料電阻變化預(yù)警結(jié)構(gòu)隱患，防止小問題演變?yōu)闉?zāi)難性事故。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該成果還可延伸至智能骨科器械、建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測、新型傳感器及電池技術(shù)等領(lǐng)域。

    技術(shù)延展性展望

    Kumar教授指出："本文聚焦碳納米管增強(qiáng)PEI材料，但建立的多尺度有限元模型具有普適性，可推廣至其他增材制造材料體系。"研究團(tuán)隊(duì)期待該建模方法能激發(fā)更多新型自感知建筑材料的研發(fā)，充分釋放該技術(shù)在跨行業(yè)材料設(shè)計中的創(chuàng)新潛力。