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

三维打印硅胶的多尺度表征：来自中子散射的更多见解

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

文章介绍：

三维打印，也称为增材制造，被广泛认为是制造领域的一项变革性突破。最初于1980年代末期开发，它是一类快速制造技术，依赖计算机辅助设计（CAD）模型，通过逐层沉积粉末、树脂或其他可粘结物质等材料来构建物理对象，如图1所示。与传统制造方法相比，3D打印提供了无与伦比的设计灵活性，能够在不需要模具或机械加工的情况下创建复杂的几何形状和精细的特征尺寸。这一能力使得能够生产高度精确和复杂的结构，同时进行多个物体的构建，显著节省时间和成本，从而大大提高了生产效率。

目前，3D打印技术主要可以分为几大类，包括熔融沉积建模（FDM）、立体光刻打印、选择性激光烧结（SLS）、直接墨水写入（DIW）等。每种技术都有其独特的优势，并根据特定的应用需求进行调整。选择技术不仅影响最终产品的几何特征，还在塑造材料的微观结构方面起着关键作用。

三维打印技术能够制造各种材料，包括金属、聚合物、陶瓷和混凝土等。其中，硅橡胶由于其卓越的柔韧性、耐热性、耐候性和生物相容性，成为工业和医疗应用中尤其有前景的材料。因此，它在3D打印技术的发展中引起了广泛关注，并在未来应用中具有巨大的潜力。

硅橡胶3D打印技术的核心价值在于它能够克服传统成型工艺的几何约束，实现结构与功能的集成制造。其应用可分为三个主要领域：（1）生物医学领域的定制植入物和仿生设备。此类应用要求材料具有高打印精度（微米级特征尺寸）和长期的内部稳定性，这使得传统硅橡胶由于脱模限制而难以实现复杂的内部腔体结构。2020年，Thomas等人开发了符合要求的硅橡胶支架，并将心肌细胞（CMs）注入其中，具有280 ± 40 kPa的刚度，接近人类心肌的刚度。该材料作为功能性心肌贴片，展现了治疗心肌梗死的潜力。2023年，Duraivel等人开发了一种由硅油乳液配制的支撑材料，其与光固化硅基墨水的界面张力几乎为零，成功制造了复杂的解剖硅橡胶模型，包括脑血管、大脑动脉瘤和主动脉心脏瓣膜。（2）用于柔性电子和软体机器人的功能集成设备。这些设备依赖于3D打印在微观尺度上集成异质材料界面（硅橡胶-导电材料），这是传统工艺无法实现的。2019年，Yu等人开发了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的光固化弹性体，具有动态共价交联。该弹性体能够在温和条件下通过二硫化物交换完全恢复其原始强度，能够用于制作自修复3D软驱动器以及具有介电和导电性能的自修复传感器。Wang等人提出了一种可打印的基于巯基−烯点击化学反应的自由基弹性体网络作为可穿戴传感器的材料。该材料还具有优异的柔韧性（最大伸长率达到1000%）、稳定性和耐候性，可以在恶劣环境（−50°C ~ 120°C）中工作。然而，硅橡胶的粘弹性和特定固化要求给3D打印带来了重大技术挑战。这些特点也突显了结构表征的重要性，以全面了解打印产品的质量和性能。本综述将重点讨论3D打印硅橡胶的领域，详细介绍硅橡胶打印产品的层间粘附、内部应力和微观结构与宏观性能之间的关系。结构表征技术为优化工艺参数和提高打印精度提供了重要依据。

中文摘要：
三维打印技术为硅橡胶提供了显著的开发优势，如提高精度、制造复杂结构的能力以及加速制造过程。本综述首先概述了3D打印技术及其常用材料，特别是近年来引入的多种材料，重点关注适用于高性能弹性体如硅橡胶的材料。接着，全面分析了3D打印硅橡胶的特点、优势和挑战，包括其加工适应性和成型性能。随后详细讨论了表征技术，包括机械测试、电子显微镜、热分析和散射方法，用于评估打印材料的微观结构、机械性能和热稳定性。最后，综述了中子散射技术在研究3D打印硅橡胶中的应用，强调了这些方法如何加深对材料微观结构的理解，特别是在聚合物链构型和分子动力学方面。通过整合最新的进展，本综述旨在为3D打印硅橡胶的设计、优化和工业应用提供有价值的参考。