如果您曾經(jīng)想過汽車安全氣囊背后的科學(xué)，那么您就有充滿活力的材料來感謝它。 這類材料含有大量可以釋放的化學(xué)能，比如爆炸物，煙火和推進(jìn)劑。 許多微機(jī)械系統(tǒng)使用高能材料：例如，汽車安全氣囊使用少量的固體推進(jìn)劑就能正確部署。 現(xiàn)在，普渡大學(xué)的研究人員正在使用3D打印噴墨技術(shù)，在大學(xué)所謂的“前所未有的精確度和安全水平”上仔細(xì)沉積這些微量的這些材料。

制造定制噴墨打印機(jī)的艾里森·默里（Allison Murray）是機(jī)械工程專業(yè)的博士候選人，他說：“高能材料是一個(gè)相當(dāng)廣為人知的領(lǐng)域，增材制造也是如此。 這個(gè)項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于這兩個(gè)領(lǐng)域的交集，并且能夠以這種精確度安全地沉積高能材料?！?/span>

隨著我們的設(shè)備不斷變小，微觀層面對(duì)高能材料的迫切需求也在不斷增長，并且需要保持過程安全。 這就是為什么普渡大學(xué)這種由國防部防務(wù)減少威脅機(jī)構(gòu)資助部分資助的研究越來越重要。

“我們的解決方案是在打印它們的時(shí)候?qū)蓚€(gè)組件結(jié)合在一起。 我們可以在兩種單獨(dú)的懸浮液中使用燃料和氧化劑，這些懸浮液在很大程度上是惰性的，“主要項(xiàng)目研究人員和機(jī)械工程教授Jeff Rhoads解釋說。 “然后用這臺(tái)定制的噴墨打印機(jī)，我們可以將這兩臺(tái)打印機(jī)以一種特定的重疊模式進(jìn)行沉積，并將它們結(jié)合到一個(gè)基板上形成納米微米?！?/span>

噴墨3D打印技術(shù)，也被稱為粘合劑噴射，是非常通用的，可用于沉積各種各樣的材料，如抗體，陶瓷和金屬。 普渡大學(xué)面臨的一個(gè)難題就是設(shè)計(jì)一臺(tái)可以工作量很小的機(jī)器。

“我們正在談?wù)損icoliters材料。 獲得正確的液滴體積和正確的模式是一個(gè)挑戰(zhàn)，“Murray說。

該團(tuán)隊(duì)還必須確保自定義噴墨3D打印機(jī)能夠準(zhǔn)確地沉積微小液滴，并通過使用機(jī)器保持噴嘴靜止，而其下方的一個(gè)階段移動(dòng)，以形成所需的形狀。

Murray說：“舞臺(tái)可以以0.1微米的精度移動(dòng)，這基本上是人發(fā)寬度的千分之一?！?/span>

研究人員在“應(yīng)用物理雜志”（Journal of Applied Physics）上發(fā)表了一篇題為“通過反應(yīng)式噴墨印刷的納米微晶結(jié)構(gòu)的雙組分增材制造”的項(xiàng)目結(jié)果的論文。 合著者包括穆雷，Tugba Isik，Volkan Ortalan，I. Emre Gunduz，Steven F. Son，George T.-C. 邱和Rhoads。

該摘要的內(nèi)容是：“著眼于提高高能材料沉積的安全性，同時(shí)擴(kuò)大與噴墨印刷兼容的材料范圍，這項(xiàng)工作展示了使用組合噴墨印刷沉積高能材料。使用壓電噴墨印刷將基本上惰性的納米氧化鋁和氧化納米銅（II）在二甲基甲酰胺和聚乙烯吡咯烷酮中的兩種惰性膠體懸浮液沉積在基底上。材料以這樣的方式沉積，使得氧化鋁和氧化銅（II）液滴鄰近并重疊，以允許組分的原位混合。重復(fù)交替沉積以形成具有多層高能材料的樣品。隨后在使用火花點(diǎn)火器印刷3,5和7層材料的樣品上測(cè)試高能表現(xiàn)。用高速照相機(jī)觀察這一點(diǎn)火事件，并與用預(yù)先混合的納米米粒印刷的代表性樣品進(jìn)行比較。高速熱成像支持這樣的結(jié)論：用雙噴嘴技術(shù)印刷的可比較樣品的最大反應(yīng)溫度比用單噴嘴印刷的樣品小200K。掃描透射電子顯微鏡圖像證實(shí)了材料組分與單噴嘴和雙噴嘴技術(shù)相當(dāng)混合的說法。這項(xiàng)工作證明了反應(yīng)式噴墨印刷作為從兩種基本惰性的懸浮液沉積高能材料的手段的可行性。這樣做，為更安全的材料處理打開了大門，并開發(fā)了一系列先前被認(rèn)為與噴墨打印不兼容的高能材料?！?/span>

通常在燃燒彈中使用被稱為鋁熱劑的細(xì)粉狀鋁和氧化鐵的混合物，因?yàn)樗谌紵龝r(shí)會(huì)產(chǎn)生非常高的溫度。 通過將納米氧化鋁和納米銅氧化物與水溶性聚合物PVP相結(jié)合，研究人員能夠使用Murray的定制3D打印機(jī)來沉積納米微米，其與傳統(tǒng)應(yīng)用的微晶玻璃一樣多的速度和功率發(fā)生反應(yīng)。

穆雷說：“它的燃燒溫度是2500開爾文（華氏4000度以上）。 它產(chǎn)生了很多的推力，很多的熱量，并發(fā)出了一個(gè)不錯(cuò)的響亮的沖擊波！”

很多時(shí)候，來自不同學(xué)科和不同部門的人員為了一個(gè)目的一起成功地完成了一個(gè)項(xiàng)目。 研究微機(jī)電系統(tǒng)的Rhoads，噴墨印刷專家Chiu和Gunduz和Son在普渡大學(xué)的Zucrow實(shí)驗(yàn)室研究高能材料的十名研究人員和四名來自不同機(jī)械工程學(xué)科的教師成就了3D噴墨印刷的研究成果， 美國最大的大學(xué)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

“普渡大學(xué)的一個(gè)定義是，來自不同背景的教授可以像這樣一個(gè)項(xiàng)目一起工作。 我們可以將我們所有的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，就以前不可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)進(jìn)行合作，“Rhoads說。