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基于3D打印技术的材料热物性调控
doi: 10.1088/2631-7990/ac38b9
作者简介:
文章第一作者为孙强胜、通讯作者为上海工程技术大学机械与汽车工程学院徐屾副教授、武汉大学动力与机械学院张俊副教授和岳亚楠教授。合作者还包括武汉大学动力与机械学院王建梅副教授、硕士研究生薛志祥、陈飏、夏如鼎。该研究受到国家重点研发计划（项目号：2018YFB1106100, 2019YFE0119900），国家自然科学基金（项目号： 52076156)以及中央高校基本科研业务费专项资金 (项目号：2042020kf0194)支持资助。
孙强胜，武汉大学动力与机械学院硕士研究生，导师为岳亚楠教授。本科毕业于武汉大学动力与机械学院，研究方向为微纳尺度热物性及热测量技术。
徐屾，上海工程技术大学副教授。先后在华东理工大学获学士学位，复旦大学获硕士，美国爱荷华州立大学获博士学位。主要从事微米/纳米量级的能量传输理论和实验研究、新材料和复杂纳米结构的传热行为以及光热多物理场耦合等方面的基础研究。主持上海高校青年东方学者人才计划项目1项，国家自然科学基金青年项目1项，重点参与国家自然科学基金面上项目1项，在Nano Energy、International Journal of Heat and Mass Transfer、Optical Express等高水平杂志共发表SCI论文40篇，引用300余次，出版专著一部，发明专利1项。另担任多个国际期刊的审稿人。
张俊，武汉大学动力与机械学院副教授，全国无损检测标准化技术委员会委员，中国机械工程学会无损检测分会新技术专委会委员。长期以来主要从事激光超声技术与智能装备、特种压电材料、应力监测以及无损检测技术的研究，在超声无损检测方面具有扎实的理论基础和实践经验。发表高水平SCI论文30多篇，获国家发明专利10多项，为核电等系统开发超过5套工业化的检测设备。主持多项国家项目及横向合作项目，包括国家重点研发计划项目《金属增材制造的高频超声检测技术及装备》和重大科学仪器设备开发专项《水下超声、电磁、射线综合无损检测系统开发与应用》课题以及国防科工局基础科研项目子课题《激光超声检测仿真技术研究》及航天创新基金课题《航天轻合金激光超声CT成像技术研究》。2016年项目《工业智能超声检测理论与应用关键技术》获得江苏省科技进步奖一等奖，2017获国家科技进步二等奖。
岳亚楠，武汉大学动力与机械学院教授、动力工程系主任。主要从事微纳米材料热物性及热测量技术方面的研究，先后主持国家自然科学基金4项、重点研发计划课题1项及其他多项省部级基金课题和企业研发类项目。发表SCI论文60余篇，包括封面文章3篇和ESI高被引文章1篇，引用1600余次，申请/授权受理发明专利10余项。兼任中国工程热物理学会传热传质分会青年工作委员会委员、中国动力工程学会武汉大学联络人、中国电力教育协会能源动力工程学科教学委员会委员等。担任Journal of Physics D、Applied Physics杂志Advisory Panel Member、Nanotechnology客座编辑以及40多个国际知名期刊的审稿人。获湖北省教学成果一等奖和中国电力科技进步二等奖等。
- 刊出日期: 2021-12-15
摘要:
研究论文 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
在工业应用中，物性可调的功能材料能满足人们不同的需求因而备受关注。由于材料的性能高度依赖于其内部结构，因此理解结构与性能的相关性对功能材料的设计至关重要。近期，武汉大学岳亚楠教授课题组孙强胜等人在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Modulation of Thermal Transport of Micro-structured Materials from 3D Printing》论文，基于材料结构和物性之间的关系，提出通过控制3D打印速度产生不同微缺陷，继而实现材料热物性调控的策略。实验中以4个不同的扫描速度打印出样品，发现孔隙率（缺陷程度）与扫描速度存在近似线性关系。通过实验测得导热系数，获得导热性质与扫描速度关系式。基于该相关性，新样品导热系数可通过扫描速度进行预测。验证性实验发现，新样品导热系数的测量值与预测值误差仅为0.6%，证明该预测方式的准确性。本研究结果为3D打印技术调控材料的热物理性能提供理论和实验依据。
亮点：
· 提出了通过控制3D打印的扫描速度产生内部微缺陷，继而调控材料热物性的策略。
· 基于红外成像原理建立热物性测量方法，并开展3D打印样品的实时测量。
· 对3D打印样品孔内传热过程开展数值模拟，探究了温度和孔隙率对材料物性影响规律。
2. 研究背景
调控材料热物性可通过添加高导热填料或调控材料的微观结构等方式实现。其中增材制造技术(additive manufacturing)又称3D打印，具有制造复杂结构和高精度等特点。在3D打印过程中，激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等对材料的结构非常关键。通过控制这些参数、引入微观结构如孔隙、微观结构和化学添加剂等，可以实现对打印材料或结构物性的调节。通过设计复杂的微观结构和特定的孔隙分布，3D打印技术也可制备各向异性材料和功能梯度材料(FGM)。
3. 最新进展
文章首先研究了3D打印样品的微观特征。当扫描速度较小时(图1a)，几乎没有孔隙，试样致密度较高。在高倍镜下(图1a右下角)，样品中气孔几乎是完美的圆形。随着扫描速度增加，孔隙数量明显增加，孔隙形状变得不规则且孔径增大。通过对样品micro-CT表征，发现孔隙率和孔隙总数与扫描速度之间存在几乎线性增加关系，因此可预见通过控制扫描速度调控材料热物性。
图1. 扫描速度为(a) 700 mm/s、(b) 900 mm/s、(c) 1100 mm/s、(d) 1300 mm/s时，样品表面的SEM图像。(右下图为高倍放大后的小孔细节图)
图2. 扫描速度为(a) 700 mm/s、(b) 900 mm/s、(c) 1100 mm/s、(d) 1300 mm/s下制备样品的Micro CT图像
为有效测量3D打印样品热物性，课题组搭建了基于红外成像热物性无损测量平台，该技术可以实现样品的单面实时测量，测量方法简单、快捷，对环境要求低，可有效应用于各种工业现场中。样品导热系数测得结果，如图3所示，通过拟合样品导热系数k与扫描速度v之间的关系，可得表达式：
为验证该关系式的可靠性，在相同的实验条件下，设定新扫描速度打印了新样品并开展热物性预测和测量，预测值和实验值之间差值仅为0.6%，说明了上述关系式的可靠性。
图3. (a) 样品孔隙率和孔隙总数随扫描速度变化曲线。(b)样品导热系数随扫描速度变化曲线
为探究微结构内部热扩散机制，建立稳态模型并开展数值模拟研究，发现模拟结果与实验结果一致。孔隙的传热机制是影响多孔介质材料的关键。本文也建立了单孔结构模型，探讨了单个孔隙内的传热特性，研究包括孔隙内的对流传热、辐射传热和热传导等热输运过程（见图4）。研究发现温度对3D打印材料物性影响为：导热系数都随温度升高而降低，孔隙率高的样品导热系数随温度降低得更快。
图4. 单孔结构的传热模拟结果：(a)温度场和等温线、(b)辐射场、(c)速度场和空气流向。(d)流线图
4. 未来展望
3D打印技术可有效用于材料的热物性调控，在功能材料和定向制造领域发挥越来越重要的作用。未来可根据实际需求对打印设备校准后开展材料热物性设计，实现材料的定向制造。此外，为实现更高精度和更小尺寸材料热物性调控，需要对微尺度组织结构以及微纳尺度传热传质等进一步研究。
English Abstract
基于3D打印技术的材料热物性调控
- Publish Date: 2021-12-15
Abstract:
研究论文 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
在工业应用中，物性可调的功能材料能满足人们不同的需求因而备受关注。由于材料的性能高度依赖于其内部结构，因此理解结构与性能的相关性对功能材料的设计至关重要。近期，武汉大学岳亚楠教授课题组孙强胜等人在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Modulation of Thermal Transport of Micro-structured Materials from 3D Printing》论文，基于材料结构和物性之间的关系，提出通过控制3D打印速度产生不同微缺陷，继而实现材料热物性调控的策略。实验中以4个不同的扫描速度打印出样品，发现孔隙率（缺陷程度）与扫描速度存在近似线性关系。通过实验测得导热系数，获得导热性质与扫描速度关系式。基于该相关性，新样品导热系数可通过扫描速度进行预测。验证性实验发现，新样品导热系数的测量值与预测值误差仅为0.6%，证明该预测方式的准确性。本研究结果为3D打印技术调控材料的热物理性能提供理论和实验依据。
亮点：
· 提出了通过控制3D打印的扫描速度产生内部微缺陷，继而调控材料热物性的策略。
· 基于红外成像原理建立热物性测量方法，并开展3D打印样品的实时测量。
· 对3D打印样品孔内传热过程开展数值模拟，探究了温度和孔隙率对材料物性影响规律。
2. 研究背景
调控材料热物性可通过添加高导热填料或调控材料的微观结构等方式实现。其中增材制造技术(additive manufacturing)又称3D打印，具有制造复杂结构和高精度等特点。在3D打印过程中，激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等对材料的结构非常关键。通过控制这些参数、引入微观结构如孔隙、微观结构和化学添加剂等，可以实现对打印材料或结构物性的调节。通过设计复杂的微观结构和特定的孔隙分布，3D打印技术也可制备各向异性材料和功能梯度材料(FGM)。
3. 最新进展
文章首先研究了3D打印样品的微观特征。当扫描速度较小时(图1a)，几乎没有孔隙，试样致密度较高。在高倍镜下(图1a右下角)，样品中气孔几乎是完美的圆形。随着扫描速度增加，孔隙数量明显增加，孔隙形状变得不规则且孔径增大。通过对样品micro-CT表征，发现孔隙率和孔隙总数与扫描速度之间存在几乎线性增加关系，因此可预见通过控制扫描速度调控材料热物性。
图1. 扫描速度为(a) 700 mm/s、(b) 900 mm/s、(c) 1100 mm/s、(d) 1300 mm/s时，样品表面的SEM图像。(右下图为高倍放大后的小孔细节图)
图2. 扫描速度为(a) 700 mm/s、(b) 900 mm/s、(c) 1100 mm/s、(d) 1300 mm/s下制备样品的Micro CT图像
为有效测量3D打印样品热物性，课题组搭建了基于红外成像热物性无损测量平台，该技术可以实现样品的单面实时测量，测量方法简单、快捷，对环境要求低，可有效应用于各种工业现场中。样品导热系数测得结果，如图3所示，通过拟合样品导热系数k与扫描速度v之间的关系，可得表达式：
为验证该关系式的可靠性，在相同的实验条件下，设定新扫描速度打印了新样品并开展热物性预测和测量，预测值和实验值之间差值仅为0.6%，说明了上述关系式的可靠性。
图3. (a) 样品孔隙率和孔隙总数随扫描速度变化曲线。(b)样品导热系数随扫描速度变化曲线
为探究微结构内部热扩散机制，建立稳态模型并开展数值模拟研究，发现模拟结果与实验结果一致。孔隙的传热机制是影响多孔介质材料的关键。本文也建立了单孔结构模型，探讨了单个孔隙内的传热特性，研究包括孔隙内的对流传热、辐射传热和热传导等热输运过程（见图4）。研究发现温度对3D打印材料物性影响为：导热系数都随温度升高而降低，孔隙率高的样品导热系数随温度降低得更快。
图4. 单孔结构的传热模拟结果：(a)温度场和等温线、(b)辐射场、(c)速度场和空气流向。(d)流线图
4. 未来展望
3D打印技术可有效用于材料的热物性调控，在功能材料和定向制造领域发挥越来越重要的作用。未来可根据实际需求对打印设备校准后开展材料热物性设计，实现材料的定向制造。此外，为实现更高精度和更小尺寸材料热物性调控，需要对微尺度组织结构以及微纳尺度传热传质等进一步研究。
| 引用本文: |
Sun Q S, Xue Z X, Chen Y et al. Modulation of the thermal transport of micro-structured materials from 3D printing. Int. J. Extrem. Manuf. 4 015001(2022). 
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| Citation: |
Sun Q S, Xue Z X, Chen Y et al. Modulation of the thermal transport of micro-structured materials from 3D printing. Int. J. Extrem. Manuf. 4 015001(2022).
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