TWI793952B - 具高壓縮特性的機械超穎結構 - Google Patents

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Abstract

一種具高壓縮特性機械超穎結構，結合六鍵手性單體結構及優化四圓環凹腔結構以週期排列之具有高壓縮性能複合結構機械超穎材料，同時利用數位光投影3D列印技術且無需內部支架支撐之創新製程，並在3D列印光固化樹脂中添加適量表面官能化改質多壁奈米碳管作為3D列印複合材料，進一步提升結構的抗衝擊與內部抗斷裂性；本發明可應用於資訊與電子產品或裝置之內層填充緩衝層，不僅可避免利用黏結劑進行填充或固定所造成之修復難度提升狀況，更因3D列印技術具有彈性製造、製作時程快速及材料使用率高等特色，適合用於開發多樣性或結構複雜的立體結構產品。

Description

具高壓縮特性的機械超穎結構
一種具有高壓縮特性的結構，特別是以特殊的三維結構組成並具有高壓縮特性的機械超穎結構。
近年來各領域創新科技快速發展，持續提供資訊科技產品與消費性電子產品的多功能化與服務功能優化。其中手持式或穿戴式電子裝置是人與網路最有密切互動的科技產品之一，藉由電子裝置將人與網路連接，大幅提升使用者的行動力、知識的廣度與生活的豐富度，也伴隨創造出新的使用需求與商機。隨著人類生活型態的改變，產品的功能與提供的服務將更多元，也促使各類彈性使用、方便操作的手持式或穿戴式電子裝置強力需求。
在這一科技快速發展的潮流中，電子產品作為居中媒介，更是不可或缺的角色。隨著時代的演進，電子產品逐漸由大型以及厚重外殼的形貌轉變為輕巧、可攜式甚至可撓、可摺疊，但多數產品在輕巧超薄的結構體需求下，卻可能犧牲了抵抗震盪衝擊的能力。目前大多數電子產品是以框膠與微型螺絲固定，組裝期間施以少量具有些微彈性之黏結劑作為吸震緩衝之用途，然而其吸震與抵抗震盪的能力卻不如預期。
有鑑於此，如何能夠提供一種能在電子零組件間或與保護外殼的縫隙中提供能分散應力並吸收衝擊力的緩衝層是當前必須解決的問題。
為了解決目前大多數電子產品是以框膠與微型螺絲固定，其吸震與抵抗震盪的能力卻不如預期的問題，本發明提供一種具高壓縮特性的機械超穎結構，其包含一第一單元結構層以及一第二單元結構層以高度方向重複交互疊合而成的三維立體結構，其中：該第一單元結構層包含一第一單元結構於水平方向所重複規則排列而成，該第一單元結構包含六鍵手性單體結構；該第二單元結構層包含一第二單元結構於水平方向所重複規則排列而成，該第二單元結構包含四圓環凹腔結構；以及該具高壓縮特性的機械超穎結構是由摻雜表面官能基修飾奈米碳管的光固化軟性樹脂所三維列印製得。
其中，該具高壓縮特性的機械超穎結構具有負蒲松比特性。
其中，該六鍵手性單體結構具有向外延伸的六支鍵，其每一支鍵以及四圓環凹腔結構之線徑介於0.10mm~0.50mm。
其中，該表面官能基修飾奈米碳管在該光固化軟性樹脂中含量介於0.1~0.3wt.%，或更佳介於0.2~0.25wt.%。
其中，該表面官能基修飾奈米碳管的表面官能基包含羥基、醛基、羧基的其一或組合；以及該光固化軟性樹脂包含聚氨酯、熱塑性聚氨酯、橡膠或矽樹脂。
藉由上述說明可知，本發明具有以下有益功效與優點：
1.本案利用3D列印技術的彈性製造優勢，開發可應用於資訊、電子產品整合/組裝所需吸收並分散應力的抗衝擊緩衝層，並結合具週期性幾何形狀的機械超穎材料，降低受到應力時的橫向變形率以及減少零組件受到吸收層的擠壓導致變形，且添加表面修飾奈米碳管於列印用光固化樹脂中，可增加 3D列印抗衝擊吸震緩衝層之耐用性與抗衝擊性，使其更有潛力做為機械結構運動緩衝層之應用。
2.本發明提供之具有高壓縮性之機械超穎材料，可以利用數位光投影3D列印技術並成功列印無需內部支架支撐之3D機械超穎材料結構，結構結合六鍵手性結構機械超穎材料及優化後的四圓環凹腔結構機械超穎材料之週期性三維結構，得到具有高壓縮性能之複合結構機械超穎材料，同時在3D列印光固化樹脂中添加適量表面官能化改質多壁奈米碳管，作為3D列印複合材料，進一步提升機械超穎材料之抗衝擊與內部結構抗斷裂性。
10:具高壓縮特性的機械超穎結構
11:第一單元結構層
111:第一單元結構
13:第二單元結構層
131:第二單元結構
本發明將以示例性實施例的方式進一步說明，這些示例性實施例將通過附圖進行詳細描述。這些實施例並非限制性的，在這些實施例中，相同的編號表示相同的結構，其中：圖1A為本發明具高壓縮特性的機械超穎結構之前視圖。
圖1B為本發明具高壓縮特性的機械超穎結構之右視圖。
圖1C為本發明具高壓縮特性的機械超穎結構之上視圖。
圖1D為本發明具高壓縮特性的機械超穎結構之立體視圖。
圖2為本發明具高壓縮特性的機械超穎結構之二子單元結構堆疊示意流程圖。
圖3摻雜不同比例表面官能基修飾奈米碳管樣品之壓縮應力-應變特性比較。
圖4未摻雜、摻雜表面未修飾奈米碳管(0.25wt.%)、摻雜表面修飾奈米碳管(0.25wt.%)樣品之壓縮應力-應變特性比較圖。
圖5摻雜2.5wt%表面官能基修飾奈米碳管樣品之壓縮應力-應變循環測試圖。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些示例或實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖將本發明應用於其它類似情景。除非從語言環境中顯而易見或另做說明，圖中相同標號代表相同結構或操作。
如本發明和請求項書中所示，除非上下文明確提示例外情形，“一”、“一個”、“一種”和/或“該”等詞並非特指單數，也可包括複數。一般說來，術語“包括”與“包含”僅提示包括已明確標識的步驟和元素，而這些步驟和元素不構成一個排它性的羅列，方法或者設備也可能包含其它的步驟或元素。
本發明中使用了流程圖用來說明根據本發明的實施例的形成流程或其中可能執行的操作。應當理解的是，前面或後面操作不一定按照順序來精確地執行。相反，可以按照倒序或同時處理各個步驟。同時，也可以將其他操作添加到這些過程中，或從這些過程移除某一步或數步操作。
<具高壓縮特性的機械超穎結構>
請參考圖1A~1D，本發明提供一種具高壓縮特性的機械超穎結構10，其包含一第一單元結構層11以及一第二單元結構層13以高度方向重複交互疊合而成的三維立體結構。該具高壓縮特性的機械超穎結構10具有負蒲(泊)松比(Poisson's ratio)的特性，可以在承受壓縮時，使不同的軸面同時產生形變，藉由快速、有效的提高材料結構密度來提升強度與抗衝擊能力。
其中，請同時搭配參考圖2，該第一單元結構層11是由一第一單元結構111於水平方向所重複規則排列而成，該第一單元結構111包含六鍵手性單體結構(chiral structure)，該第二單元結構層13是由一第二單元結構131於水平方向所重複規則排列而成，該第二單元結構131包含四圓環凹腔結構(reentrant structures)於水平方向所重複規則排列而成。
所謂六鍵手性單體結構如圖2左列所示，以中間圓環為基準後以等角度放射狀向外延伸出六支鍵並以此產生特定高度的單體結構(結構高度較佳可以是2mm)。而所謂的四圓環凹腔結構則如圖2右列所示，是以四圓環相接所組成的立體四方結構。較佳地該六鍵手性單體結構的每一枝鍵寬度以及四圓環凹腔結構之線徑介於0.10mm~0.50mm，更佳是0.2mm~0.40mm，較佳是0.25mm。線徑越粗時本發明的結構整體應力強度增加，反之線徑越細時強度降低但吸收應變幅度上升。
將該第一單元結構層11與該第二單元結構層13結合之方法，首先將具有正蒲松比特性的該第一單元結構111以水平方向等間距聯結排列(圖1C中淺色層)後再將四圓環凹腔結構陣列(圖1C中深色層)週期性排列於六鍵手性週期結構之上，並重複在高度方向堆疊。結合該第一單元結構層11與該第二單元結構層13兩類機械超穎材料可使該具高壓縮特性的機械超穎結構10在縱向具備高吸收能量之壓縮性質與側向之負蒲松比耐衝擊特性。
<材料及製造方法>
本發明前述該具高壓縮特性的機械超穎結構10較佳是以3D列印方式製作，更佳是光固化3D列印，例如數位光投影3D列印技術。所使用的材料較佳是軟性或彈性材料，例如聚氨酯(PU)、熱塑性聚氨酯(TPU)、橡膠(Rubber)或矽樹脂(Silicone)等。本發明所使用的彈性材料中較佳是摻雜有表面官能基修飾奈米碳管(Carbon nanotube,CNT)的彈性材料進行3D列印，所述的官能基包含羥基(-OH)、醛基(-CO-)、羧基(-COOH)的其一或組合，主要是利用強酸或強鹼對奈米碳管進行處理後所得。
以製得具有羥基表面官能基修飾之奈米碳管為例，其製造步驟包含：取1g奈米碳管與丙酮均勻混合後以超音波震盪處理10分鐘，並以烘箱乾燥； 將乾燥後的奈米碳管與濃度為66wt%的25mL硝酸、濃度為35wt%的25mL的雙氧水混合並以60℃之溫度與700rpm轉速加熱攪拌12小時；最後取出混合溶液並以9000rpm轉速高速離心10分鐘，將奈米碳管自溶液中分離出來，並以去離子水清洗至中性後乾燥，並依據情況研磨至特定大小(本實施例為400網目過篩)，得到具有羥基表面官能基修飾之奈米碳管。
接著，將表面官能基修飾奈米碳管與軟性光固化樹脂進行攪拌混合，即得到本發明可光固化3D列印的樹脂複合材料。
<確效性測試>
本發明將上述表面官能基修飾奈米碳管摻雜的可光固化3D列印的樹脂複合材料以3D列印後製得該具高壓縮特性的機械超穎結構10，並且以下將對其特性進行說明。
如圖3所示，其為摻雜不同比例表面官能基修飾奈米碳管摻雜的可光固化3D列印的樹脂複合材料的壓縮應力-應變特性比較，其中，各測試樣品取奈米碳管含量為0.0wt.%(比較例)、0.1wt.%、0.2wt.%、0.25wt.%、0.3wt.%進行比較，如圖3可知，當所添加表面官能基修飾奈米碳管比例越高時壓縮應力-應變曲線會往左移，顯示3D列印之該具高壓縮特性的機械超穎結構10機械強度越強。
如圖4所示，未摻雜、摻雜表面未修飾奈米碳管(0.25wt.%)、摻雜表面修飾奈米碳管(0.25wt.%)樣品之壓縮應力-應變特性比較圖。證實所添加之奈米碳管，不論其是否有進行表面官能化改質，機械強度均大於未摻雜奈米碳管樣品之性能，但表面具有關能機修飾的奈米碳管則具有最優異的機械強度。
如圖5所示，摻雜2.5wt%表面官能基修飾奈米碳管樣品之壓縮應力-應變循環測試圖。本發明的表面官能基修飾奈米碳管最佳摻雜比例為0.1~0.3wt.%，或更佳0.2~0.25wt.%。
一些實施例中使用了描述成分、屬性數量的數字，應當理解的是，此類用於實施例描述的數字，在一些示例中使用了修飾詞“大約”、“近似”或“大體上”來修飾。除非另外說明，“大約”、“近似”或“大體上”表明所述數字允許有±20%的變化。相應地，在一些實施例中，說明書和請求項中使用的數值參數均為近似值，該近似值根據個別實施例所需特點可以發生改變。在一些實施例中，數值參數應考慮規定的有效數位並採用一般位數保留的方法。儘管本發明一些實施例中用於確認其範圍廣度的數值域和參數為近似值，在具體實施例中，此類數值的設定在可行範圍內盡可能精確。
最後，應當理解的是，本發明中所述實施例僅用以說明本發明實施例的原則。其他的變形也可能屬本發明的範圍。因此，作為示例而非限制，本發明實施例的替代配置可視為與本發明的教導一致。相應地，本發明的實施例不僅限於本發明明確介紹和描述的實施例。
10:具高壓縮特性的機械超穎結構
11:第一單元結構層
13:第二單元結構層

Claims (6)

  1. 一種具高壓縮特性的機械超穎結構，其包含一第一單元結構層以及一第二單元結構層以高度方向重複交互疊合而成的三維立體結構，其中：該第一單元結構層包含一第一單元結構於水平方向所重複規則排列而成，該第一單元結構包含六鍵手性單體結構；該第二單元結構層包含一第二單元結構於水平方向所重複規則排列而成，該第二單元結構包含四圓環凹腔結構；以及該具高壓縮特性的機械超穎結構是由摻雜表面官能基修飾之奈米碳管的一光固化軟性樹脂所三維列印製得。
  2. 如請求項1所述的具高壓縮特性的機械超穎結構，其中：該具高壓縮特性的機械超穎結構具有負蒲松比特性。
  3. 如請求項1或2所述的具高壓縮特性的機械超穎結構，其中：該六鍵手性單體結構具有向外延伸的六支鍵，其每一支鍵以及四圓環凹腔結構之線徑介於0.10mm~0.50mm。
  4. 如請求項1或2所述的具高壓縮特性的機械超穎結構，其中：該表面官能基修飾奈米碳管在該光固化軟性樹脂中含量介於0.1~0.3wt.%。
  5. 如請求項1或2所述的具高壓縮特性的機械超穎結構，其中：該表面官能基修飾奈米碳管在該光固化軟性樹脂中含量介於0.2~0.25wt.%。
  6. 如請求項1或2所述的具高壓縮特性的機械超穎結構，其中：該表面官能基修飾奈米碳管的表面官能基包含羥基、醛基、羧基的其一或組合；以及該光固化軟性樹脂包含聚氨酯、橡膠或矽樹脂。
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