高分子材料的老化、應力失效等問題已成為限制高分子材料進一步發(fā)展和應用的瓶頸意料之外，同時也是樹脂基3D打印材料發(fā)展必須克服的關鍵問題文化價值。當前，樹脂基3D打印材料的老化及應力失效分析通常需借助大型設備對材料進行損傷性分析監(jiān)測置之不顧。而且樹脂基3D打印材料的老化及應力失效分析面臨著高成本不斷完善、單點監(jiān)測、難以無損實時監(jiān)測等諸多問題合作關系。

針對以上問題著力提升，西北工業(yè)大學黃維院士團隊于濤教授課題組，提出將有機室溫磷光分子用于3D打印樹脂力學性質實時監(jiān)測的全新思路（機理見圖1）傳遞。研究團隊設計制備兩種具有 "供體-受體-受體"（D-A-A'）構型的高效有機室溫磷光分子DTPPAO 和tBuDTPPAO融合，將DTPPAO分子以物理摻雜方式與HEA-AA光固化樹脂混合均勻制備具有力學性能自監(jiān)測的HEA-AA/DTPPAO光固化材料，采用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術相關性，通過摩方精密nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印設備完成的事情，打印了一系列三維結構，并成功應用于結構健康監(jiān)測領域穩定，該成果為有機室溫磷光在結構健康領域的應用奠定了基礎改造層面。

相關成果以“Tunable afterglow for mechanical self-monitoring 3D printing structures"為題發(fā)表在期刊《Nature Communications》上，西北工業(yè)大學柔性電子研究院黃榮娟博士后和碩士研究生何運飛為本文的共同第一作者優勢與挑戰，于濤教授和黃維院士作為共同通訊作者經驗分享。

圖1：有機室溫磷光分子用于3D打印樹脂力學性質實時監(jiān)測的機理示意圖

利用 DTPPAO的可調余輝特性解決方案，研究團隊采用 HEA-AA光敏樹脂作為聚合物基體制備室溫磷光光固化材料，并通過3D打印技術制造出具有室溫磷光性質的三維結構有力扭轉。進一步探究其性質發(fā)現(xiàn)上高質量，HEA-AA/DTPPAO聚合物的發(fā)光性能和機械性能對紫外固化時間和環(huán)境濕度具有高度敏感性。

在沒有紫外線照射或紫外線照射時間很短的情況下廣度和深度，晶格結構不會出現(xiàn)余輝深入交流，而隨著光固化時間的延長，會出現(xiàn)明亮的綠色余輝顯示，且余輝壽命不斷增加雙向互動。HEA-AA/DTPPAO的C=C雙鍵轉化率隨著光固化時間的延長而持續(xù)上升效率和安，其趨勢與余輝壽命變化相同設計能力。這表明，HEA-AA/DTPPAO經(jīng)紫外線照射后深入開展，HEA-AA聚合物鏈的交聯(lián)程度增加更為一致，從而顯著增強了摻雜體系的剛性，抑制分子振動技術的開發，穩(wěn)定三重激子研究與應用。此外，聚合物的楊氏模量也與余輝壽命的變化趨勢相同（圖2a）更高效。晶格結構的磷光壽命很短積極影響，在沒有紫外線照射固化的情況下幾乎沒有余輝，并且在2 N的壓力下會發(fā)生嚴重變形緊密協作。經(jīng)過充分聚合（60 min紫外光照射）后越來越重要，晶格結構在2 N的壓力作用下顯示出優(yōu)異的機械性能，無明顯變形發揮重要作用，綠色余輝持續(xù)時間約為3 s（圖2b）醒悟。

圖2：不同光固化時間的聚合物的力學性能監(jiān)測。a）磷光壽命高質量、C=C雙鍵轉化率和聚合物楊氏模量與固化時間關系及相對應的聚合物結構示意圖和晶格結構的余輝性質也逐步提升；b）不同光固化時間的晶格結構的余輝照片及在2 N負載下變形情況。

此外註入了新的力量，隨著HEA-AA/DTPPAO聚合物吸水時間的增加重要的作用，HEA-AA/DTPPAO的楊氏模量從890 MPa明顯下降到接近0 MPa，這與其余輝壽命的變化趨勢相同（圖3a）去創新。研究團隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術 打印制作了一張桌子積極回應，通過局部吸水實現(xiàn)桌子模型的局部力學性能失效。經(jīng)過失效處理的兩條桌腿無法承受100克的重量又進了一步，并且力學性能失效區(qū)域的磷光壽命明顯短于其他區(qū)域（圖3b多種場景、c）多元化服務體系。進一步研究表明，聚合物中的水分削弱了氫鍵相互作用擴大公共數據，導致楊氏模量降低深度。

圖3：不同環(huán)境濕度下的聚合物的力學性能監(jiān)測。a）HEA-AA/DTPPAO室溫磷光壽命和楊氏模量與吸水時間關系及對應的3D打印結構在5 N負載下的數(shù)碼照片核心技術體系；b）3D打印“桌子"的局部力學性能失效監(jiān)測示意圖開拓創新；c）3D打印“桌子"的局部力學性能失效監(jiān)測實物圖。

通過改變光固化時間和環(huán)境濕度必然趨勢，可以精準調節(jié)3D打印結構的力學性能促進善治，并通過打印結構的室溫磷光壽命對其力學性能進行監(jiān)測。這項工作表明有機室溫磷光材料在力學性能自監(jiān)測傳感領域中具有巨大的應用潛力多樣性。此類新型自監(jiān)測材料在智能傳感發揮效力、力學監(jiān)測及結構健康監(jiān)測等領域有著廣闊的應用。

本研究得到國家基礎科學中心明顯、國家自然科學基金安全鏈、陜西省杰出青年科學基金等項目支持。