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Multiscale characterization of three-dimensional printed silicone rubber: More insights from neutron scattering

三維打印硅膠的多尺度表征：來自中子散射的更多見解

作者信息：

Xiang Luo ^a, Shengyi Zhong ^b, Dong Liu ^a *

a Key Laboratory of Neutron Physics and Institute of Nuclear Physics and Chemistry,

China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621999, China

b School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, 

Shanghai, 200240, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100009

文章介紹：

三維打印，也稱為增材制造，被廣泛認為是制造領域的一項變革性突破。最初于1980年代末期開發，它是一類快速制造技術，依賴計算機輔助設計（CAD）模型，通過逐層沉積粉末、樹脂或其他可粘結物質等材料來構建物理對象，如圖1所示。與傳統制造方法相比，3D打印提供了無與倫比的設計靈活性，能夠在不需要模具或機械加工的情況下創建復雜的幾何形狀和精細的特征尺寸。這一能力使得能夠生產高度精確和復雜的結構，同時進行多個物體的構建，顯著節省時間和成本，從而大大提高了生產效率。

目前，3D打印技術主要可以分為幾大類，包括熔融沉積建模（FDM）、立體光刻打印、選擇性激光燒結（SLS）、直接墨水寫入（DIW）等。每種技術都有其獨特的優勢，并根據特定的應用需求進行調整。選擇技術不僅影響最終產品的幾何特征，還在塑造材料的微觀結構方面起著關鍵作用。

三維打印技術能夠制造各種材料，包括金屬、聚合物、陶瓷和混凝土等。其中，硅橡膠由于其卓越的柔韌性、耐熱性、耐候性和生物相容性，成為工業和醫療應用中尤其有前景的材料。因此，它在3D打印技術的發展中引起了廣泛關注，并在未來應用中具有巨大的潛力。

硅橡膠3D打印技術的核心價值在于它能夠克服傳統成型工藝的幾何約束，實現結構與功能的集成制造。其應用可分為三個主要領域：（1）生物醫學領域的定制植入物和仿生設備。此類應用要求材料具有高打印精度（微米級特征尺寸）和長期的內部穩定性，這使得傳統硅橡膠由于脫模限制而難以實現復雜的內部腔體結構。2020年，Thomas等人開發了符合要求的硅橡膠支架，并將心肌細胞（CMs）注入其中，具有280 ± 40 kPa的剛度，接近人類心肌的剛度。該材料作為功能性心肌貼片，展現了治療心肌梗死的潛力。2023年，Duraivel等人開發了一種由硅油乳液配制的支撐材料，其與光固化硅基墨水的界面張力幾乎為零，成功制造了復雜的解剖硅橡膠模型，包括腦血管、大腦動脈瘤和主動脈心臟瓣膜。（2）用于柔性電子和軟體機器人的功能集成設備。這些設備依賴于3D打印在微觀尺度上集成異質材料界面（硅橡膠-導電材料），這是傳統工藝無法實現的。2019年，Yu等人開發了一種基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的光固化彈性體，具有動態共價交聯。該彈性體能夠在溫和條件下通過二硫化物交換完全恢復其原始強度，能夠用于制作自修復3D軟驅動器以及具有介電和導電性能的自修復傳感器。Wang等人提出了一種可打印的基于巰基−烯點擊化學反應的自由基彈性體網絡作為可穿戴傳感器的材料。該材料還具有優異的柔韌性（最大伸長率達到1000%）、穩定性和耐候性，可以在惡劣環境（−50°C ~ 120°C）中工作。然而，硅橡膠的粘彈性和特定固化要求給3D打印帶來了重大技術挑戰。這些特點也突顯了結構表征的重要性，以全面了解打印產品的質量和性能。本綜述將重點討論3D打印硅橡膠的領域，詳細介紹硅橡膠打印產品的層間粘附、內部應力和微觀結構與宏觀性能之間的關系。結構表征技術為優化工藝參數和提高打印精度提供了重要依據。

中文摘要：
三維打印技術為硅橡膠提供了顯著的開發優勢，如提高精度、制造復雜結構的能力以及加速制造過程。本綜述首先概述了3D打印技術及其常用材料，特別是近年來引入的多種材料，重點關注適用于高性能彈性體如硅橡膠的材料。接著，全面分析了3D打印硅橡膠的特點、優勢和挑戰，包括其加工適應性和成型性能。隨后詳細討論了表征技術，包括機械測試、電子顯微鏡、熱分析和散射方法，用于評估打印材料的微觀結構、機械性能和熱穩定性。最后，綜述了中子散射技術在研究3D打印硅橡膠中的應用，強調了這些方法如何加深對材料微觀結構的理解，特別是在聚合物鏈構型和分子動力學方面。通過整合最新的進展，本綜述旨在為3D打印硅橡膠的設計、優化和工業應用提供有價值的參考。