3D科学谷洞察

“HDPE/Cu复合材料提升了HDPE材料的机械性能和抗菌性能，在国防和安全领域具有广泛的应用前景。例如，大多数枪支包含多种聚合物部件，这些部件需要具备高强度和良好的机械性能，同时还要尽量减少各种感染性微生物的传播。此外，这种复合材料还可以用于制造防护装备、轻量化结构件和复杂的武器系统”

原文信息

中文摘要

本研究旨在探究加入铜（Cu）纳米颗粒对高密度聚乙烯（HDPE）基体材料性能提升的影响。通过材料挤出（MEX）3D打印技术，研究人员合成了填充比例为0.0、2.0、4.0、6.0、8.0和 10.0wt%的复合材料，并用这些合成后的纳米复合材料线材制造了适合后续实验的样品。

通过各种按照相关标准进行的机械测试，研究人员系统地研究了样品的拉伸、弯曲、冲击和显微硬度性能，并使用宽带介电光谱法研究了复合材料的电气/介电性能。此外，还通过拉曼光谱和热重分析（TGA）深入研究了其振动、结构和热性能。使用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）检查了合成样品的形态和结构特性，并通过能量色散X射线光谱（EDS）获取了复合材料的详细结构信息。还使用琼脂扩散法评估了这些纳米材料针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌性能。

结果表明，将Cu作为填料加入HDPE中后，后者的机械性能得到了显著的改善。其中，HDPE/Cu 4.0 wt%样品在七项机械性能测试中，有四项表现出了最高的增强水平（例如，与纯HDPE相比，其弯曲强度提高了36.7%）。同时，纳米复合材料对金黄色葡萄球菌表现出较强的抗菌性，而对大肠杆菌的抗菌效果较弱。

使用MEX 3D打印法制备的这种多功能且坚固的纳米复合材料，对多个领域尤其是国防和安全领域的应用将产生积极影响。考虑到多数枪械中包含的各种聚合物部件需要高强度和改善机械性能，同时又需要将各种传染性微生物的传播风险降至最低，这种材料的应用变得愈发重要。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.dt.2024.03.004

主要结论

在本研究中，研究人员使用MEX 3D打印法制备了HDPE/Cu复合材料，将其用于制造线材并后续用于制造拉伸、弯曲和冲击样品。通过TGA、DSC、AFM等测试对这些样品进行了进一步的研究，同时还进行了拉曼分析、电性能表征和抗菌性能测试。还在不同倍率下对样品的侧面和断面进行了SEM拍摄。

使用Cu作为填料产生了积极影响，它增强了HDPE并提高了其机械性能。特别是HDPE/Cu4.0wt%样品，它的机械性能提升最为显著。与纯HDPE相比，其弯曲强度提升36.7%，弯曲弹性模量提升35.2%，拉伸韧性提升27.3%，夏比冲击强度提高23.3%。

此外，与纯HDPE相比，HDPE/Cu6.0 wt%样品的拉伸强度提高了31.2%，拉伸弹性模量提高了32.5%。而HDPE/Cu10.0wt%样品的显微硬度比纯HDPE提高了24.5%。总体而言，Cu填料的加入对样品的机械性能产生了积极影响，使这些复合材料适用于各种可能的应用。未来可以通过对不同复合材料应用不同的打印参数，进一步探讨它们的性能表现。

本研究揭示了这些发现对国防和安全领域的重要意义，为未来战场上的军事人员以及紧急情况下的其他人员提供了更多的解决方案，展现了这些应用的双重用途。如上所述，此类复合材料可以在和平时期和战时应用于国防领域的各个方面，还可以应用于紧急事件中的民用人员，例如应急救援队。增强的机械性能与杀菌、抗菌功能的结合可以彻底改变武器的制造方式，甚至可以将这种材料用于制造医疗急救中使用的夹板。

研究人员还研究了通过将铜引入HDPE基体，赋予这些复合材料电学性能的可能性。这么做的目的是评估这种材料和电路接触时会有怎样的表现。尽管材料的导电性显著提高，但预计它无法在通电时发挥电路的作用。在未来的工作中，研究人员将与希腊陆军学院合作，在实际应用中进一步优化和评估这些复合材料。

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《Defence Technology》是由中国兵工学会主办的科技类综合性学术期刊，目前已被SCI、EI、Scopus、中国科技核心期刊数据库、中国引文数据库核心版和瑞典开放获取指南等多家数据库收录，期刊主要发表基础理论、应用科学和工程技术领域高水平原创性学术论文，包括理论研究、数值模拟和实验研究类文章。