三維形變材料的案例
中科院深圳先進院揭示離子交聯型水凝膠可控三維形變機制
近日，中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏副研究員團隊研發出一種離子交聯型水凝膠，首次報道了通過生物兼容性離子（Na+/Ca2+）觸發水凝膠可控三維形變，并揭示了其內外反轉三維可逆形變機制。相關研究結果以論文“Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels”（離子觸發內外反轉三維可逆形變水凝膠）在Science合作期刊Research上在線發表（Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296）。
【成果簡介】
近年來，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但傳統材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調控手段面臨安全性挑戰，由此極大限制了傳統生物材料醫學應用。如何成功實現傳統生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調控形變，仍是材料生物學應用面臨的一大難題。
為解決該挑戰，杜學敏研究團隊基于前期在材料可控形變設計經驗（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），創新性地仿生自然中觸之形變植物的構造原理，通過表面定向排列微陣列結構與自上而下的梯度交聯設計結合，成功實現鈣離子交聯的海藻酸鈉水凝膠可控三維形變。將所得螺旋形水凝膠置于0.1 M NaCl溶液中，發現三維螺旋形會逐漸變形為二維平面結構，最終結構進一步反轉形成微通道朝外的反向三維螺旋結構。
展開 激光非接觸發測量材料形變、斷裂
最高精度，線性度0.001%到0.1%，分辨率0.5nm到0.1mm
最大量程，130um-2000mm，最遠可測距離1mm到4000mm
最小尺寸，直徑6mm
最高采樣速度，2kHz到400kHz
最高可耐溫度，2200℃超高溫表面可測
應用
在線檢測
? 平整度監控
? 涂膠高度測量
? 翹曲度監控
位移測量
? 主軸跳動
? 仿生肌肉
形貌測量
? 沖壓\磨損形貌
? 板材厚度
? 材料熱變形
? 鋼軌形狀
振動測試
? 振動臺試驗\風洞試驗
? 沖擊試驗
? 模態分析
上海思信科學儀器有限公司面向全國各大高校、科研單位提供檢測及實驗用高精密儀器。
主營產品包括：激光位移傳感器、色散共焦位移計、高速攝像機、紅外熱像儀、激光測振儀、光學形變測量儀、激光剪切散斑干涉儀；日本YAMATO實驗室通用設備、YAMAOT等離子刻蝕/清洗機、YAMAOT等離子灰化裝置、YAMAOT噴霧干燥機等；各種顯微鏡、內窺鏡。
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E-mail：sparkshi@think-foucus.com
展開 3D打印的下一個事件：形變材料！可用于醫藥或建筑！
三維打印機在制造業的每個角落都帶來了重大進展：科學家們已經使用它來設計人體組織、打印橡膠材料、降低無人機對地面人員的危險程度等等，最近，3D打印還創造了一種比鋼強10倍的輕質材料，其密度只有鋼的1/20。
這項創造來自于麻省理工學院的一個科學家團隊，基于3D打印物體的技術，在打印之后對原有物體進行轉化，比如變顏色、形狀、尺寸和其他物理與化學性質。
這種物體由含有TTC的化學基團的特殊聚合物組成。每個TTC都像“折疊的手風琴”，當暴露在藍色LED燈下時，這些材料可以被激活。然后，新的單體分子將其自身附著到聚合物上，從而給物體提供新的屬性：軟的物體可能會變硬，或者顏色也可以被改變，如果加入某些單體聚合物，當處于一定的溫度條件下，這種物體能夠膨脹或收縮。
麻省理工學院化學副教授Jeremiah Johnson說：“我們的想法是，材料可以被打印，也可以被使用，利用光元素，將材料變成其他材料，或者讓材料進一步生長。”
這一方法可以為制造商開辟新的大門，使他們能夠輕松地創建適用于建筑或醫藥等領域的材料。
據了解，過去有研究人員曾嘗試過類似的方法。去年，哈佛大學的科學家們推出了所謂的“4D打印”技術，這是一種將3D打印物體浸在水中，使其改變形狀的方法。（在這種情況下，第四個維度是時間）
4D打印
目前，該技術存在一個限制：由于使用的催化劑的性質，它需要一個沒有氧氣的環境。研究人員正在努力改進，使其可以在露天環境中使用。
來源：CNET科技資訊網
展開 ：非晶態Ge-Sb-Te相變材料的局域原子結構形變
這項技術或將有助于描述非晶相變材料的光學性質與局域變形之間的關聯。
文獻鏈接：Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.205502）
中科院深圳先進院杜學敏研究員團隊等發展出天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略
近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所納米調控中心杜學敏研究員團隊發展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略：通過交聯梯度與尺寸效應協同調控殼聚糖水凝膠三維形變，并揭示其可控三維形變力學機制。相關論文以《單組分天然多糖水凝膠形態編輯》（Editing the Shape Morphing of Mono-component Natural Polysaccharide Hydrogel Films）為題在Science合作期刊Research（Research, 2021, 2021, 9786128. DOI: 10.34133/2021/9786128）上在線發表，客座學生胡豪和深圳先進院黃超博士為本文的共同第一作者，深圳先進院喻學鋒研究員和Massimiliano Galluzzi副研究員、浙江大學肖銳研究員為論文的共同作者，杜學敏研究員和湘潭大學葉強博士是該論文共同通訊作者。
近年來，可控三維形變高分子材料在生物電子、醫用機器人、組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但具有良好生物相容特性的傳統材料要么欠缺形變能力，要么實現可控形變的方法極其復雜，極大限制這類生物材料的實際應用。如何通過簡單易行且具普適性的策略實現傳統生物材料的可控三維形變，仍是這類材料在生物醫學醫用領域面臨的關鍵挑戰。
為此，杜學敏研究團隊基于前期仿生含羞草可控三維形變工作基礎（Matter, 2019, 1, 626; Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Research, 2019, 2019, 6398296; Adv. Funct.
展開 三維復合材料CT試樣裂紋擴展模擬 ￥20
該材料是碳/環氧復合材料。復材鋪層為（08,908）S
圖2 模型尺寸
該模型分為3個分區，分別代表3組層板：08、9016和08。層間的失效未建模。
關于X-FEM：
X-FEM可以與兩種方法結合使用：
-內聚區模型（基于X-FEM的內聚行為）
-虛擬裂紋閉合技術（基于X-FEM的LEFM方法）
在本教程中，將使用以上兩種方法。基于X-FEM的內聚行為適合于對延性材料的破壞進行模擬（90°層中的基體破壞），而基于LEFM方法的X-FEM適合于對脆性材料的破壞進行模擬（0°層中的纖維破壞）。
2.初始裂紋位置
3.基于材料cohesive行為的XFEM定義（90°層中的基體破壞、延性）
定義屬性：
材料屬性賦予部件（是中間的3個cell）
定義方向：
定義XFEM（中間三個cell）
3.基于線彈性斷裂力學的XFEM定義（0°層中的纖維破壞、脆性）
定義XFEM（前面三個cell）定義XFEM（后面三個cell）
4.控制輸出
5. 修改常規解決方案控件以改善收斂行為
展開 RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
三維編織復合材料是利用紡織技術，通過編織形成干態預成形件，將干態預成形件作為增強體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）或樹脂膜滲透工藝（RFI），進行浸膠固化，直接形成復合材料結構。作為一種先進的復合材料，已成為航空、航天領域的重要結構材料, 并在汽車、船舶、建筑領域及體育用品和醫療器械等方面得到了廣泛應用。傳統復合材料經典層合板理論已無法滿足其力學性能分析，國內外學者建立了新的理論和分析方法。
三維編織復合材料是仿織復合材料之一，是由采用編織技術織造的纖維編織物（又稱三維預成形件）所增強的復合材料，其具有高的比強度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和疲勞等優異特點。三維編織復合材料作為一種先進的復合材料，倍受工程界關注，業已成為航空、航天領域的重要結構材料，并在汽車、船舶、建筑領域、體育用品和醫療器械等方面得到了廣泛應用。
三維編織復合材料的發展是因為單向或二向增強材料所制得的復合材料層間剪切強度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三維編織技術引入工程應用中。所謂3D編織技術是通過長短纖維在空間按一定的規律排列，相互交織而獲得的三維無縫合的完整結構，使復合材料不再存在層間問題，且抗損傷能力大大提高。其工藝特點是能制造出各種規則形狀及異形實心體，并可使結構件具有多功能性，即編織多層整體構件。目前三維編織的方式大約有20多種，但常用的有4種，分別是極線編織（polar braiding）、斜線編織（diagonalbraiding or packing braiding）、正交線編織（orthogonal braiding）和繞鎖線編織（warp interlock braiding）。三維編織中又有多種型式，例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織。
展開 天大《AFM》：三維可編程超材料！
圖4.具有機構模塊3D鑲嵌的超材料。a)通過在3D空間中鑲嵌系列組件而創建的3D超材料的設計方案I。b)三維超材料的設計方案II，分別在x、y和z方向上具有(mx+nx)、(my+ny)和(mz+nz)模塊，以形成立方體網格的框架。
本文通過對Wohlhart多面體的運動學分析，揭示了該機構有EC、EP和LT三條運動路徑，分別位于分岔點B0和Bx/By/Bz。以單一機構為模塊，通過分叉可以在EC、EP和LT路徑下不同的泊松比、NPR、PPR和ZPR之間進行切換。因此，泊松比可以隨模體的運動而調節，但對幾何參數不敏感。由于模塊的可重構性，通過調整?∞和+∞狀態模塊的數目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內對正交平面上的泊松比進行獨立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設計的靈活性。
展開 剛性基礎三維仿真分析(土體為DP材料)
基本參數如下：
（１）方柱及剛性基礎均為混凝土材料：彈模E＝2.5ｅ10，泊松比為0.16，密度為2700。
（２）土為DP材料：彈模E＝1.0ｅ7，泊松比為0.45，密度為2000.
粘聚力C＝10，內摩擦角30，膨脹角30
（３）外載：樁頂分布力Q=50,重力加速度為9.8
命令流程序為：
/cle
/prep7
/title,zhuang,h-method
et,1,plane42
et,2,solid45
mp,ex,1,2.5e10 !混凝土材料屬性
mp,nuxy,1,0.16
mp,dens,1,2700
mp,ex,2,10e6 !土體材料屬性
mp,nuxy,2,0.45
mp,dens,2,2000
tb,dp,2 !土體本構模型
tbdata,1,10,30,30
!建立關鍵點
k,1
k,2,1.5
k,3,1.5,0.4
k,4,1.1,0.4
k,5,1.1,0.8
k,6,0.7,0.8
k,7,0.7,1.2
k,8,0.3,1.2
k,9,0.3,2
k,10,0,2
k,11,4,2
k,12,4,0
k,13,4,-2
k,14,0,-2
k,15,0.3,3
k,16,0,3
!建立各條線，面元素
*do,i,1,9,1
l,i,i+1
*enddo
l,10,1
al,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10
l,9,11
*do,i,11,13,1
l,i,i+1
*enddo
l,14,1
l,2,12
al,2,3,4,5,6,7,8,11,12,16
al,1,16,13,14,15
l,9,15
l,15,16
l,16,10
al,9,17,18,19
/pnum,area,1
/pnum,line,1
aplot
!
展開 三層材料結構三維瞬態溫度分布的解析解
Here is a mathcad code I wrote on calculating the temperature field of a 3D multilayer structure.
First the analytical solution of the 3D structure subjected to impulse excitation is solved in Laplace Domain and the then the temperature field subjected to arbitrary time dependent power input is obtained using convolution theory.
Transient Response.rar
展開 基于cohesive的三維脆性材料斷裂（abaqus cohesive單元本構） ￥999
1、根據論文《Three-dimensional modeling of fracture in quasi-brittle materials using plasticity and cohesive finite elements》DOI:https://doi.org/10.1007/s10704-021-00514-1 編寫的cohesive單元本構
2、適用于三維模型
3、包含umat以及vumat
4、umat適用范圍小，多個cohesive單元一般采用vumat進行計算
5、軟化曲線為Hordijk和bilinear
三維晶格超材料的隔振性能及耐撞性研究
原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。因此，通過合理地調整結構參數，可以獲得所需的隔振性能和耐撞性。最后，從隔振性能和耐撞性等綜合方面進行了多目標優化，得到了新型三維超材料的優化設計。本工作為開發具有隔振性能和耐撞性的多功能超材料提供了新的可能性。
原文總結：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設計，并對其振動隔離能力和耐撞性進行了全面的研究。通過多目標優化來優化變形材料，同時考慮了振動隔離和耐撞性。主要結論如下：
(1) 通過調整所提出的三維變形材料的結構參數，可以控制帶隙和破壞響應，從而控制振動隔離特性和能量吸收性能。
(2) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著b的增加而先打開后關閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現先增加后減小的趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著b的增加而增加。
(3) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著d的增加而逐漸減小。帶隙的群速度范圍隨著d的增加而呈下降趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時先減小后增加。總體上講，隨著d的增加，聲能吸收效率(SEA)的差異并不顯著。
(4) 隨著t的變化，群速度范圍的變化相對較小。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著t的增加而增加。
展開 二維材料的快速三維自組裝: 從氧化石墨烯到二硫化鉬
石墨烯之后的新型二維材料由于缺少表面豐富的功能性基團，導致其無法像石墨烯那樣通過氧化法實現功能化和高度的分散性。因此在將這些新型二維材料構筑成三維結構時會遇到很多困難。
清華大學深圳研究生院呂偉課題組與天津大學楊全紅課題組借助1,4-丁二醇二縮水甘油醚(BDGE)與氧化石墨烯上羧基的相互作用， 實現了氧化石墨烯的快速三維組裝。此工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9363-7。
圖1 氧化石墨烯與二硫化鉬的三維自組裝結構
本工作通過表面活性劑分散其他二維材料并實現材料表面官能化，借助于這些表面官能團與BDGE的相互作用， 發展出一種普適的二維材料快速三維自組裝方法。 以二硫化鉬為例，組裝形成的三維結構顯著提高了表面利用率，極大地改善了其作為鈉離子電池負極材料的電化學性能。
來源：中國科學材料
展開 一種定向排列的三維氮化硼聚合物復合熱界面材料
來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
01
背景介紹
隨著第五代通信、大功率集成芯片和鋰離子電池的發展，對散熱提出了更高的要求，促使對導熱絕緣熱界面材料(TIMs)的需求快速增長。高分子材料以其優異的可加工性、重量輕、成本低等特點受到人們的青睞。然而，聚合物的固有熱導率通常很低(0.1 ~ 0.5 W/mK)。采用具有高導熱性的填充材料是一種直接有效的策略，可以顯著提高聚合物的導熱性。
六方氮化硼(BN)是一種二維片層陶瓷材料，其面內導熱系數約為300 W/mK，面外導熱系數為30 W/mK。良好的電絕緣性使BN在電子設備的熱管理應用中具有獨特的優勢。然而，由于填料與聚合物基體之間存在較大的界面熱阻，采用傳統的直接共混方法得到的填料/聚合物復合材料的導熱系數通常不理想。在聚合物復合材料中構建三維連續導熱填充網絡已被證明是降低界面熱阻和促進聲子快速傳輸的有效策略，已受到廣泛關注。
此外，BN在整個聚合物中的垂直排列可以進一步充分利用BN良好的面內導熱性，使復合材料的縱向導熱性顯著增強，以滿足TIMs高效垂直散熱的需求。已經開發了各種方法來實現填料的垂直對齊，例如3D打印，外場控制，冰模板法等。通過定向凍結，填料沿著冰晶生長方向排列，形成三維互聯的垂直排列骨架，顯著增強了復合材料的導熱性。因此，開發一種更簡單、更具成本效益的冰模板工藝來實現BN的遠距離垂直有序排列，從而促進高性能TIMs的規模化生產是非常必要的。
展開 RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
分析三維編織復合材料的力學性能的方法還需要進一步地發展，建立相對完善的強度準則是擴大三維編織復合材料使用的理論依據，同時，尋求準確求解三維編織復合材料的細觀力學解也是亟待解決的問題。
來源：玻纖復材
