城大新技术︰转化3D打印聚合物为强度高100倍的复合碳微点阵超材料

制作高强度却又具有优异变形承载能力的轻质材料是不少科学家长久以来的梦想，但这些机械特性通常是相互排斥、难以共存。近日，香港城市大学（城大）研究人员便成功发明了一种低成本及易于操作的崭新方法，可以把常用的3D打印聚合物，转化为轻量、超坚韧及生物相容的“复合碳微点阵”（hybrid carbon microlattice）材料。这种新材料较一般聚合物强100倍，而且可以制作成任何形状及大小。研究团队相信，这创新方法可应用于制作具备特定机械性能的精密零件，例如适用于制作精细的冠状动脉支架及医疗用的人体植入物，应用前景广阔。

 

超材料（metamaterials）是指透过人工设计、从而拥有天然材料中没有的特性的特殊材料。其中，3D立体结构的微点阵超材料，便既有轻质结构设计的优点，又同时维持其组成材料的固有特性。要制作这些结构复杂的微点阵超材料，通常要先进精密的生产技术例如“积层制造”，即俗称的3D打印技术，但目前可用于高精密度3D打印的材料却极为有限。

负责带领这项研究的城大机械工程学系和材料科学及工程学系的陆洋教授说：“3D打印正逐渐成为常用技术，用作制造具有独特和可调校特性而又几何构造复杂的组件。不过，坚固而强韧的架构组件，通常需要使用金属或合金进行3D打印，惟商用的金属3D打印机和其原材料成本高昂，且精度有限，较难广泛应用。聚合物相对廉价，但缺点是它在机械性能上通常缺乏强度或韧性。可喜的是，我们找到了一种崭新的方法，只需在适当的条件下加热，就可以将这些可精密3D打印的光固化聚合物，转化成可与金属和合金媲美的超坚韧3D结构。”

既能提升材料强度又不牺牲延展性的新方法

一直以来，提高3D打印聚合物强度的最有效方法是“热解“（pyrolysis），其原理是透过热处理，把聚合物加热及转化为坚硬的纯碳材料。然而，这个过程会令被加热的聚合物失去了几乎所有原有的变形能力，结果制造出像玻璃一样高强、高刚度但极脆的材料；而其他增加聚合物强度的方法，则通常会导致它们的延展性受损，同样限制了材料的应用。

香港城大的研究团队近日便研究出一种神奇的热解新方法。团队通过仔细控制加热速率、温度、持续时间和气体环境，只需一步即可大幅度地提高光固化3D打印聚合物微点阵的刚度、强度和延展性。新加热方法成功把聚合物转化为超强韧的三维结构，强度提高了100倍，塑性也提高了一倍以上。这一发现完全打破了科学界对热解材料的传统看法，对轻质、强韧且易于使用的机械超材料的开发将产生深远的影响。香港城大团队的研究成果已于科学杂志《Matter》上发表，标题为〈Lightweight, Ultra-tough 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices〉。

 

在实验过程中，研究人员发现只有当聚合物链通过缓慢加热达至“部分碳化”时，才能同时提高强度和延展性。在这种情况下，聚合物链不会完全转化为热解碳，遂产生一种混合材料“复合碳微点阵”。这超材料内部有松散交织的聚合物链和碳碎片协同共存，其中碳碎片成为了强化物料的增强剂，聚合物链则可防止复合材料碎片的断裂。

研究亦显示，若要获得最佳的强度及延展性，聚合物与碳碎片的比例至关重要。因为假若碳碎片太多，材料就会变得过脆；如果碳碎片太少，材料就会缺乏强度。在实验过程中，团队成功创造了一种经过最适度优化的碳化聚合物微点阵，若与原始聚合物微点阵相比，其强度大幅提高了100倍以上，延展性也增加了一倍以上。

 机械性能以外的提升

除了卓越的机械性能之外，研究团队还发现这些“复合碳”微点阵与原始的聚合物相比，具有更优秀的生物相容性。通过细胞毒性和细胞行为监测实验，他们证明了在复合碳微点阵材料上培养的细胞，比在聚合物微点阵上培养的细胞拥有更佳的存活能力。这意味着，部分碳化的复合碳点阵材料的优势，可能并非局限于机械性能，而是同时拥有应用于其他多功能领域的潜力。

陆教授补充说︰“我们提供了一种低成本、简单且可扩展的途径，去制造几乎任何形状的轻质、坚固和可延展的机械超材料。”他相信，这崭新方法可应用于其他种类的功能性聚合物，而这些复合热解碳超材料在几何结构上的灵活性，令它们可以按不同应用场景需要而度身订制其机械性能，能够应用于生物医学支架、微型无人飞行器、能量收集和储存设备等不同范畴。

_{片段显示局部碳化的复合碳微点阵结构（中）与原本聚合物结构相比的机械特性。图中的比例尺长度为兩毫米。（视频来源：Surjadi, James et al., / doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010）}

上述论文的第一作者为城大机械工程学系博士后James Utama Surjadi博士，通讯作者为陆教授。合作者包括城大机械工程学系讲座教授王钻开教授和生物医学工程学系副教授林晓维博士。研究项目获香港城大、香港高等研究院、深圳市科技创新委员会和国家自然科学基金的支持。