作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/24 15:06:08
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坚韧、导电、易用
3D纳米墨水打破瓶颈,推动行业边界

3D打印的“狗骨形”纳米复合材料拉伸试验样品。图片来源:第一作者Masoud Kasraie

一种新型的可3D打印的聚合物纳米复合墨水具有令人难以置信的性能,并在航空航天、医药和电子领域得到了广泛应用。

美国密歇根理工大学的机械工程研究人员发明了利用碳纳米管(CNTs)制作3D打印纳米复合聚合物墨水的方法。碳纳米管以其高拉伸强度和轻度而闻名,这种革命性的墨水可以取代环氧树脂。

3D打印,也被称为增材制造,比铸造更加通用和高效。它可以在复杂的几何形状中精确添加一种材料,大大减少多余的切割。添加低维纳米材料,如碳纳米管、石墨烯、金属纳米粒子和量子点,可以使3D打印材料适应外部刺激,使其具有电导率和热导率、磁性和电化学存储等特性。

使用塑料、金属或其他材料的3D打印并不新鲜。科技人员所做的不同之处是使用聚合物纳米复合材料(由环氧树脂、碳纳米管和纳米黏土制成)和不牺牲功能的打印过程。在聚合物纳米复合墨水中,材料类型与形态(尺寸、形状、结构)的结合就是形式与功能的最终结合。

研究材料、力学和医学界面的工程师Parisa Pour Shahid Saeed Abadi和研究生Masoud kasrae最近在《增材制造》杂志上发表了一篇文章,探讨聚合物油墨的工艺、形态和性能。

作者指出,在研究人员能够使用聚合物油墨冲刺参加比赛之前,他们必须首先学会走路。第一步是深入研究宏观尺度(人眼如何看到一种材料的性能)和纳米尺度(人眼看不到但知道正在发生的事情)的交集。

Abadi指出,虽然聚合物纳米复合材料和3D打印产品和服务都有10亿美元的市场价值,但纳米材料3D打印的市场价值只有大约4300万美元。

等离子体刻蚀聚合物后,电子显微镜显示纳米材料在3D打印方向上的排列。图片来源:Masoud Kasraie

“现实世界中3D打印和纳米材料的应用与纳米材料3D打印之间的差距需要缩小。”Abadi说,“目前差距的存在是由于在3D打印过程中缺乏对纳米复合材料性能的控制,因为我们没有完全理解过程-形态-性能的关系。”

这一瓶颈在于理解3D打印过程的宏观力学与纳米复合材料的纳米力学和物理之间的复杂相互作用。Abadi等试图通过探索纳米复合打印油墨中3D打印工艺参数和纳米材料形态之间的关系来缓解这一瓶颈,这是最重要的一块拼图。

作者表示,这种材料超越了纳米复合墨水的科学范畴,有着巨大的前景,因为它有许多功能。3D打印的一个优势是几乎可以完全控制最终产品的形状。

新纳米材料墨水的导电性是可以使打印的环氧树脂有可能同时用作电线——无论是在电路板、飞机机翼上,还是在用于引导血管导管的3D打印驱动器上。纳米复合聚合物油墨的另一个有用特性是它的强度。“与钢和铝相比,我们发现相同强度的环氧复合材料可以减轻80%的重量。”kasrae说。

此外,在医疗领域、航空航天和电子行业,缺陷和损坏可能带来大麻烦,纳米复合材料则可以发挥安全功能。“当某样东西断裂时,一个微小的裂缝从一个微小的缺陷开始,一直发展到破坏整个结构。”Abadi说,“纳米复合材料可以在这些裂缝中架起桥梁,而不会让裂缝扩大。这是碳纳米管提高材料机械强度的机制之一。”

未来,聚合物纳米复合油墨有望取代传统环氧树脂。作者表示,性能、重量比、导电性、强度的提高和易用性只是其中的几个原因。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102098

 
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