研究

工程师使用新型3D打印超材料实现主动冷却和射频通信

美国一组研究人员使用3D打印技术创造了一种新型的、高度可配置的超材料,它的热和电磁性能可以改变。

工程师们由北卡罗来纳州立大学博士生Urmi Devi表示,他们从生物体内的血管网络中获得了灵感。通过3D打印微型静脉状空心管网络,研究小组发现,当通过脉管系统泵入不同的流体时,它可以控制复合超材料的几个特性。

这种生物灵感的创新是使用结构环氧增强玻璃纤维3D打印的,玻璃纤维被称为“血管化玻璃纤维”。据该研究的通讯作者Jason Patrick称,这种超材料的可重构性使其具有多功能,在微处理器、飞机和建筑的主动冷却以及动态可调通信设备方面具有潜在的应用前景。

“纤维增强复合材料已经被广泛使用,”Patrick说。“我们正在做的是使材料进步,并利用3D打印创造一类新的多功能和可重新配置的超材料,这种材料在可伸缩、结构实现方面有真正的潜力,而且不应该昂贵。”

液态金属合金可以改变超材料的电磁性能,而流动的水可以改变超材料的热性能。图片来自北卡罗来纳州立大学。
液态金属合金可以改变超材料的电磁性能,而流动的水可以改变超材料的热性能。图片来自北卡罗来纳州立大学。

3 d printing-enabled超材料

超材料的多功能性最终归功于增材制造所赋予的设计自由。这项技术使工程师能够3D打印各种形状和尺寸的高度复杂的管道网络——微血管系统。由于这种超材料依赖于现成的复合材料制造工艺,它的生产成本也应该是低成本的。

在实验期间,美国研究人员通过网络运行了镓和铟的室温液体合金,使它们允许它们控制其电磁特性。具体而言,通过修改脉管系统的方向,间距和内部导电液体金属的体积,团队可以紧密控制超材料过滤出射频频谱中的特定电磁波的方式。这对可调谐通信系统具有巨大的潜力,能够从频谱的一部分到另一个按需跳跃。

Kurt Schab是本文的共同作者,增加了,“动态重新配置电磁行为的能力非常有价值,特别是在尺寸,重量和功率约束的应用中高度激励使用可以执行多种通信和传感角色的设备在一个系统内。“

用于测试3D打印超材料的电磁性能的实验装置。图片来自北卡罗来纳州立大学。
用于测试3D打印超材料的电磁性能的实验装置。图片来自北卡罗来纳州立大学。

在主动冷却中的应用

通过简单的循环水系统网络,工程师们证明了他们也可以密切控制这种超材料的热特性。这有望使先进的主动冷却系统应用于诸如高超音速飞机、微处理器系统和电动汽车等设备。

特别是电动汽车的电池,目前依靠带有简单微通道的铝翅片来冷却。这种3D打印的超材料有望在散热方面同样有效,同时通过更复杂、优化的通道结构显著减轻重量。

“显然,我们对这种超材料有一些应用想法,但肯定有一些应用是我们没有想到的,”帕特里克补充说。“对于如何进一步利用这些新材料,我们愿意与那些有新想法的人合作。”

这项研究的更多细节可以在题为“一种基于微血管的多功能可重构超材料”。它由Jason Patrick, Urmi Devi, Kurt Schab等人合著。

3D印刷材料的创新是函数添加剂制造应用的推进的主要原因。就在上个月,科学家来自南阳科技大学(NTU)新加坡加利福尼亚州理工学院(加州理工学院)3D印刷灵活的链邮件激发织物这可以根据需求变硬。3D从尼龙塑料聚合物八面体印刷,彼此互锁,织物可以变成刚性结构,比其放松形式更加静止。

在其他地方,科学家来自埃因霍温理工大学(TUE)最近随着a的发展有了新的突破新型变色液晶油墨这与3D打印技术兼容。该团队认为其工作可能对装饰照明,柔软可穿戴传感器进行健康监控等应用的重大影响,甚至增强现实光学。

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特色图像显示3D打印的超材料。图片来自北卡罗来纳州立大学。