提高塑料零件強度高達100倍，媲美金屬結構的香港神招！

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2022/09/21 提高塑料零件強度高達100倍，媲美金屬結構的香港神招！

與傳統的熱處理來強化塑料列印相比，香港城市大學研發出以碳化的方法，把3D列印聚合物的晶體結構強化100倍，從而使零件更為堅固，延展性也提高了一倍，這是什麼神操作？

「碳化」的神奇功用
根據城大科學家所述，只需要在適當的條件下進行加熱，就可以把脆弱且易碎的3D列印光敏聚合物，轉化為與金屬和合金媲美的超堅韌3D結構，這種低成本、簡單又可擴展的方法，能夠用在任何幾何形狀的機械材料上。

但研究人員表示，這種材料的3D列印能力仍然有限，因為堅固、堅韌的架構零件，依舊需要金屬或合金進行3D列印，相較之下，商業金屬3D列印機和原材料具高成本和低解析度，而聚合物則更容易獲得低成本和高解析度，只是通常缺乏機械強度和韌性。

城大研究團隊表示，他們的技術以針對特定的應用為主，可客製機械性能複雜的3D列印，例如冠狀動脈支架或生物植入物。

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描述部分碳化材料並增加強度的示意圖

開發韌性高達100倍的聚合物
通過仔細控制3D列印聚合物熱裂解過程中的加熱速率、溫度、持續時間和氣體環境，城大科學團隊發現緩慢加熱，會導致材料的聚合物鏈在熱裂解轉化過程中發生不完全轉化，從而產生一種混合材料，當中的碳碎片與防止複合材料破裂的的聚合物鏈互相牽引，從而提高微晶體結構的剛度、強度和延展性。

研究人員還發現聚合物與碳碎片的比例，對於生產強度和延展性最佳化的零件也非常重要，經過測試，他們能夠以迭代的方式開發出比以前強100倍，且延展性是之前兩倍的碳化晶體結構。

另外，這種「混合碳」微晶體結構還表現出比其基礎聚合物更良好的生物相容性，更能支撐細胞的生物活性，因此，這種技術有望擴展各種聚合物的功能，例如開發新的醫療、機器人和能源設備的3D列印材料。

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以「部分碳化」技術處理的3D列印冠狀動脈支架

加固3D列印晶體結構的技術前景
開發具備晶體結構的幾何形狀零件，用以減輕重量，同時又能提高其衝擊吸收和材料效率，這種技術概念在3D列印行業已有一段時間了。例如nTopology的新晶體結構設計工具已於2022年6月推出，用戶可使用先進的DfAM技術來簡化晶體結構的生成過程，另外還有更多的升級功能尚在籌備中。

General Lattice甚至獲得了美國陸軍的合約，開發具能量吸收功能的3D列印幾何形狀戰鬥頭盔。

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