突破行业界限,密歇根理工研究人员制造3D纳米墨水

3D打印科研前沿
2021
09/27
09:46
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导读:3D打印正在逐渐变成一种更通用、更高效的技术。为了进一步开发这项技术,研究人员通常会使用碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒和量子点等低维纳米材料,使新型3D打印材料能够适应外部刺激,赋予电导、热导、磁性和电化学存储等特性。

密歇根理工大学的机械工程研究人员创造了一种方法,制造出一种使用碳纳米管 (CNT) 的3D可打印纳米复合聚合物油墨,并具有高拉伸强度且重量很轻。他们希望这种新型墨水可以替代环氧树脂,迈向大规模使用。研究人员所做的不同之处在于使用聚合物纳米复合材料(由环氧树脂、碳纳米管和纳米粘土制成)和不牺牲材料功能性的打印工艺。

图1. 具有不同CNT浓度的环氧树脂、环氧树脂-纳米粘土和环氧树脂-纳米粘土-CNT纳米复合.jpg
△图1.具有不同CNT浓度的环氧树脂、环氧树脂-纳米粘土和环氧树脂-纳米粘土-CNT纳米复合油墨的流变特性。

走在市场之前

尽管聚合物纳米复合材料和3D打印产品和服务的市场价值都在10亿美元(约64.7亿人民币)左右,但纳米材料3D打印的市场价值只有大约4300万美元(约2.78亿人民币)。而研究领域也尚未全面了解在3D打印过程中对纳米复合材料特性的控制,例如形态-特性的关系。

图2. 使用纳米复合油墨的3D打印。.jpg
△图2.使用纳米复合油墨的3D打印。

技术瓶颈在于如何理解3D打印过程的宏观力学与纳米复合材料的纳米级力学和物理学之间复杂的相互作用。而这项研究旨在通过探索3D打印工艺参数与纳米复合打印油墨中纳米材料形态之间的关系来寻找问题的关键。

图3. 3D打印的环氧树脂-纳米粘土-CNT纳米复合材料的SEM和TEM图像。.jpg
△图3.3D打印的环氧树脂-纳米粘土-CNT纳米复合材料的SEM和TEM图像。

纳米墨水的优点

研究人员认为纳米墨水的导电性能使打印的环氧树脂具有作为电线的潜力,无论是在电路板、飞机的机翼中还是在引导血管导管的3D打印致动器。纳米复合聚合物油墨的另一个特性是它的强度。与钢和铝相比,具有相同强度的环氧树脂复合材料的重量减轻了80%。

图4. 浇铸纯环氧树脂和3D打印环氧树脂-纳米粘土-CNT纳米复合材料的机械测试结果。.jpg
△图4.浇铸纯环氧树脂和3D打印环氧树脂-纳米粘土-CNT纳米复合材料的机械测试结果。

纳米复合材料在医疗领域、航空航天和电子行业具有安全功能。研究人员称,当物体破裂时,微小的裂纹会从微观缺陷开始,并发展到破坏整个结构。纳米复合材料在这些裂缝中建立了桥梁,并且不会让裂缝增长。这是碳纳米管提高材料机械强度的机制之一。另外,性能重量比、导电性、增加的强度和易于应用等因素也是聚合物纳米复合油墨可能取代传统环氧树脂的原因。


参考文献:Masoud Kasraie, Parisa PourShahid Saeed Abadi. Additive manufacturing of conductive and high-strengthepoxy-nanoclay-carbon nanotube composites. Additive Manufacturing, 2021; 46:102098 DOI: 10.1016/j.addma.2021.102098



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