可紫外固化3D打印高拉伸性弹性体

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

弹性体作为一种通用材料，以其优异的材料性质（弹性、回复性以及电绝缘和热绝缘特性等）广泛应用于各个领域中，尤其是随着软体机器人、柔性电子产品及智能生物医学设备等对材料柔性和可变形性有严苛需求领域的发展，弹性体材料更是扮演着越来越重要的角色。

迄今为止，最广泛使用的弹性体是硅橡胶基弹性体，然而需要热固化的特性使其限制在使用切割、成型和铸造等传统的方法来制备，大大限制了其设计自由度和几何复杂性。近年来，基于紫外光（UV）固化的3D打印技术逐渐成熟，该技术可以通过图案化紫外光将液体聚合物树脂固化为复杂的3D结构。考虑到设计的丰富性和制造的灵活性，研究人员尝试使用3D打印技术来制造3D弹性体，然而大多数市售可紫外光固化的液体聚合物树脂打印出的3D弹性体拉伸性能不尽如人意，往往在拉伸量小于200％（原始长度的两倍）的长度时断裂，大大限制了它们的实用性。

新加坡科技设计大学和耶路撒冷希伯来大学合作，共同研究开发了一系列高拉伸性可紫外固化的弹性体（Stretchable UV Curable Elastomer- SUV Elastomer）。这种新型弹性体的拉伸性可高达1100%，是现有各种市售可紫外光固化弹性体拉伸性的五倍以上，并适用于基于紫外固化的3D打印技术。SUV弹性体可直接使用高分辨率3D打印机打印出可展现极大变形的复杂3D晶格或中空结构，例如各向同性桁架、负泊松比结构、气球、气动驱动器等。与此同时，SUV弹性体还保持着良好的机械重复性，有潜力成为制造柔性电子器件的良好材料。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章由新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology and Design-SUTD）数字制造和设计中心（Digital Manufacturing and Design Center-DManD）葛锜教授课题组和耶路撒冷希伯来大学（The Hebrew University of Jerusalem-HUJI） Shlomo Magdassi 教授课题组合作完成。

该论文作者为：Dinesh K. Patel, Amir Hosein Sakhaei, Michael Layani, Biao Zhang, Qi Ge, Shlomo Magdassi

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Highly Stretchable and UV Curable Elastomers for Digital Light Processing Based 3D Printing

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606000

葛锜博士简介

葛锜，新加坡科技设计大学（SUTD）助理教授。2012年美国科罗拉多大学博尔德分校取得博士学位，2013-2016年分别在美国科罗拉多大学博尔德分校、美国麻省理工学院和新加坡科技设计大学从事博士后研究工作，2016年4月起就职于新加坡科技设计大学。

研究领域主要包括多功能高分辨率增材制造、功能材料、多物理场连续介质力学等，在相关领域发表SCI论文20余篇，其中包括Science、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett.等，研究成果被MIT News、Science Daily、EurekAlert.org、Phys.org、National News Radio、Yahoo News 等多家国外媒体报道。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是多功能高分辨率3D打印技术和功能材料。弹性体以其优异的材料性质（弹性、回复性以及电绝缘和热绝缘特性等）一直处于材料研究的前沿。而现如今最广泛使用的硅橡胶基弹性体往往是使用传统的切割、成型和铸造等方法，大大限制了设计自由度和几何复杂性，而高分辨率3D打印技术可完美解决上述问题。鉴于市售可UV打印的液体聚合物树脂打印出的3D弹性体伸缩量往往小于200％，开发高度可拉伸和可UV固化（SUV）的弹性体可大大推进弹性体在对材料柔性和可变形性有严苛需求领域的应用。

Q：研究过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何高效地打印出高精的可显示出极大变形的复杂3D晶格或中空结构。在这个过程中，我们团队在多功能高分辨率3D打印技术方面的经验积累起了至关重要的作用。此外，这项研究属于团队合作研究，在发挥我们团队优势的同时，也面临了电学方面背景知识不足的挑战。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：总体来说，我们相信SUV弹性体以及基于UV固化的3D打印技术将显著增强制造软体可变形的3D结构和设备的能力，包括软体驱动器和机器人、柔性电子等许多其他应用，并对相关领域的发展产生推动作用。