突破行業(yè)界限，密歇根理工研究人員制造3D納米墨水

導(dǎo)讀：3D打印正在逐漸變成一種更通用、更高效的技術(shù)。為了進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，研究人員通常會(huì)使用碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒和量子點(diǎn)等低維納米材料，使新型3D打印材料能夠適應(yīng)外部刺激，賦予電導(dǎo)、熱導(dǎo)、磁性和電化學(xué)存儲(chǔ)等特性。

密歇根理工大學(xué)的機(jī)械工程研究人員創(chuàng)造了一種方法，制造出一種使用碳納米管 (CNT) 的3D可打印納米復(fù)合聚合物油墨，并具有高拉伸強(qiáng)度且重量很輕。他們希望這種新型墨水可以替代環(huán)氧樹脂，邁向大規(guī)模使用。研究人員所做的不同之處在于使用聚合物納米復(fù)合材料（由環(huán)氧樹脂、碳納米管和納米粘土制成）和不犧牲材料功能性的打印工藝。

△圖1.具有不同CNT濃度的環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂-納米粘土和環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復(fù)合油墨的流變特性。

走在市場之前

盡管聚合物納米復(fù)合材料和3D打印產(chǎn)品和服務(wù)的市場價(jià)值都在10億美元（約64.7億人民幣）左右，但納米材料3D打印的市場價(jià)值只有大約4300萬美元（約2.78億人民幣）。而研究領(lǐng)域也尚未全面了解在3D打印過程中對納米復(fù)合材料特性的控制，例如形態(tài)-特性的關(guān)系。

△圖2.使用納米復(fù)合油墨的3D打印。

技術(shù)瓶頸在于如何理解3D打印過程的宏觀力學(xué)與納米復(fù)合材料的納米級力學(xué)和物理學(xué)之間復(fù)雜的相互作用。而這項(xiàng)研究旨在通過探索3D打印工藝參數(shù)與納米復(fù)合打印油墨中納米材料形態(tài)之間的關(guān)系來尋找問題的關(guān)鍵。

△圖3.3D打印的環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復(fù)合材料的SEM和TEM圖像。

納米墨水的優(yōu)點(diǎn)

研究人員認(rèn)為納米墨水的導(dǎo)電性能使打印的環(huán)氧樹脂具有作為電線的潛力，無論是在電路板、飛機(jī)的機(jī)翼中還是在引導(dǎo)血管導(dǎo)管的3D打印致動(dòng)器。納米復(fù)合聚合物油墨的另一個(gè)特性是它的強(qiáng)度。與鋼和鋁相比，具有相同強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的重量減輕了80%。

△圖4.澆鑄純環(huán)氧樹脂和3D打印環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復(fù)合材料的機(jī)械測試結(jié)果。

納米復(fù)合材料在醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天和電子行業(yè)具有安全功能。研究人員稱，當(dāng)物體破裂時(shí)，微小的裂紋會(huì)從微觀缺陷開始，并發(fā)展到破壞整個(gè)結(jié)構(gòu)。納米復(fù)合材料在這些裂縫中建立了橋梁，并且不會(huì)讓裂縫增長。這是碳納米管提高材料機(jī)械強(qiáng)度的機(jī)制之一。另外，性能重量比、導(dǎo)電性、增加的強(qiáng)度和易于應(yīng)用等因素也是聚合物納米復(fù)合油墨可能取代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的原因。

參考文獻(xiàn)：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

文獻(xiàn)地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860421002633?via%3Dihub