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格拉斯哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的工程師團(tuán)隊使用 3D 打印技術(shù)為稱為聚醚醚酮或 PEEK的塑料添加了新特性。這種新型輕質(zhì)、抗沖擊的塑料“蜂窩”結(jié)構(gòu)可以感知何時受損，可用于新型“智能”假肢和醫(yī)療植入物。

將非導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電材料

PEEK 的機(jī)械性能以及耐高溫和耐化學(xué)品性使其可用于航空航天、汽車和石油和天然氣領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。該團(tuán)隊在其蜂窩 PEEK 結(jié)構(gòu)中添加了微型碳纖維，使這種通常不導(dǎo)電的材料能夠在其整個結(jié)構(gòu)中攜帶電荷。

他們想研究損壞其導(dǎo)電蜂窩 PEEK 復(fù)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(guān)節(jié)植入物報告其導(dǎo)電性何時發(fā)生變化，表明它已經(jīng)磨損并需要更換。

不同的蜂窩組合

為了測試他們設(shè)計的自感知能力，他們使用 3D 打印創(chuàng)建了三種不同的蜂窩結(jié)構(gòu)：六邊形結(jié)構(gòu)、十字形手征結(jié)構(gòu)和使用碳纖維 PEEK 材料和傳統(tǒng)材料的六面折返設(shè)計，窺視。

然后，他們讓細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)坍塌之前施加一致的壓力，碳纖維 PEEK 的每種設(shè)計都優(yōu)于其傳統(tǒng)的 PEEK 對應(yīng)物，后者能夠承受更高的壓力。

然而，在沖擊測試中，當(dāng)重物從高處落到結(jié)構(gòu)上時，三種碳纖維 PEEK 結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗損壞能力。碳纖維 PEEK 的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)具有最佳響應(yīng)，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(jié)構(gòu)在三種不同結(jié)構(gòu)受到應(yīng)變時對電荷的抵抗力。外加應(yīng)變電阻的變化——一種被稱為壓阻靈敏度的損傷進(jìn)展量度——隨著壓縮應(yīng)變的增加而降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)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(guī)格因子與其吸收能量的能力相關(guān)的損傷增長速率相關(guān)，這表明碳纖維 PEEK 的壓阻性可能有助于創(chuàng)建新一代智能輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)。

未來在眾多行業(yè)的應(yīng)用

研究人員說， PEEK 的獨(dú)特性能使其對許多工業(yè)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(gòu)建的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計和密度。與傳統(tǒng)上用于醫(yī)療植入物（如髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換術(shù)）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(fā)的這些微工程輕量級自感應(yīng) PEEK 的細(xì)胞形式將在廣泛的領(lǐng)域中找到新的應(yīng)用，不僅在假肢和其他醫(yī)療設(shè)備中，而且在汽車設(shè)計、航空航天工程和石油和天然氣部門。