日本科學家開發(fā)出新型粉體分散技術(shù),，有助于實現(xiàn)納米復合材料的3D打印

近年來，由粉末制成的納米復合材料在材料領(lǐng)域一直屬于新星般的存在,，許多人認為它有可能徹底改變材料科學,，并開創(chuàng)一個先進功能材料的新時代。盡管納米復合材料已經(jīng)取得了許多進展,，但來自日本愛知縣豐橋技術(shù)大學的武藤博之和他的助手Wai Kian Tan認為,，人類目前仍尚未發(fā)掘出納米材料全部的潛力。武藤解釋說："很多材料科學家正在嘗試制造許多新的納米結(jié)構(gòu),，但納米復合材料的潛力仍有待實現(xiàn),，因為傳統(tǒng)的粉末混合方法和基于懸浮液的技術(shù)不足以實現(xiàn)精確的結(jié)構(gòu)形成"。

△可控,、集成的納米顆粒微觀結(jié)構(gòu)

武藤教授解釋說：“我們將問題歸結(jié)為缺乏對納米顆粒的控制,，納米粉末的機械混合往往導致納米顆粒結(jié)塊,，從而產(chǎn)生更大的結(jié)構(gòu)或不均勻的混合物，這影響了所需的性能,。例如,，結(jié)塊可能意味著需要更多的材料來形成陶瓷和聚合物的導電通路。納米顆粒有強烈的聚集趨勢,，無論如何攪拌都無法使它們分散�,，F(xiàn)在需要的是一種能夠?qū)�復合材料中的納米顆粒定位實現(xiàn)更高水平控制的技術(shù)�,！�

△武藤博之（左）和一名學生使用靜電吸附組裝方法制造納米復合材料

令人欣喜的是,，武藤實驗室開發(fā)的一種新型靜電吸附組裝方法則可以很好的解決粉體分散的問題。作為一種自下而上的制造技術(shù),，它采用了一種簡單的粉末冶金工藝來制造先進的納米復合材料,。具體來說，它涉及到用聚電解質(zhì)改性添加劑納米粒子和初級微粒子的表面,。這是一個簡單但非常有效的概念：給這兩種顆粒賦予相反的電荷,，可以防止納米顆粒結(jié)塊，同時使它們附著在較大的顆粒上,。這反過來又允許對主要（較大）顆粒上的添加劑納米顆粒進行更大的定位控制,。

使用陶瓷復合材料的3D打印

雖然三維（3D）打印可以使用廣泛的材料，包括聚合物,、樹脂和金屬,，但陶瓷的3D打印仍處于起步階段。其中一個主要原因是陶瓷粉末在用于精確3D打印的激光波長下對光的吸收很差,。靜電吸附組裝方法可以通過用激光吸收的納米材料均勻地改性陶瓷顆粒來克服這個問題,。在最近的一項研究中，Muto和他的團隊開發(fā)了表現(xiàn)出良好性能的近紅外吸收特性的復合顆粒,，他們通過直接選擇性激光燒結(jié)（SLS）對材料進行了打印,，效果顯著，這表明新材料在3D打印技術(shù)方面具有巨大的潛力,。

這項研究發(fā)表于《Advanced Powder Technology》,。相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921883121002041?via%3Dihub

△復合材料顆粒之間的界面表現(xiàn)出滲水的微觀結(jié)構(gòu)

另一個涉及調(diào)整材料光學特性的應用實例是用聚合物復合材料制造紅外濾光片。這些過濾器在可見光波長下是透明的,，但表現(xiàn)出紅外屏蔽效果,，使它們成為汽車擋風玻璃和節(jié)能窗等應用的理想選擇。Muto的團隊通過在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的基體中加入氧化銦錫（ITO）納米顆粒,，使用靜電吸附組裝方法制造了這種過濾器,。它所提供的紅外屏蔽水平可以通過改變ITO納米顆粒的數(shù)量來控制。

在提升性能的同時節(jié)約資源

新型粉體分散技術(shù)有效地使用材料和資源,，符合聯(lián)合國第12個可持續(xù)發(fā)展目標,，即負責任的消費和生產(chǎn),。它的精確性使材料正好沉積在需要的地方，最大限度地減少自然資源的使用,，同時提供增強的功能,。這方面的一個很好的例子是通過加入導電的碳納米管來制造導電陶瓷或聚合物。傳統(tǒng)的技術(shù)需要大量的碳納米管,，因為有結(jié)塊的問題,。相比之下，靜電吸附組裝方法只需使用0.01%（體積）的碳納米管就能形成導電路徑,，比傳統(tǒng)技術(shù)少了十倍,。

Muto的團隊已經(jīng)證明了他們的技術(shù)在復合材料設(shè)計方面的潛力，通過使用它實現(xiàn)了不同材料在各種結(jié)構(gòu)中的可控組裝,，包括納米片,、晶須和纖維。這些復合材料在一系列的應用中是非常有前途的,，如選擇性激光燒結(jié),、具有可控光學特性的透明復合陶瓷薄膜和可再生能源技術(shù)。

△用納米片裝飾的微細顆粒

實現(xiàn)納米粉體的全部潛力

武藤和他的團隊對靜電吸附組裝方法的潛力感到興奮,，它可以扭轉(zhuǎn)納米復合材料中一些以前令人失望的結(jié)果,。武藤指出："試圖使用傳統(tǒng)工藝來制造含有納米級添加劑的產(chǎn)品，往往會導致產(chǎn)品無法達到預期效果,。當涉及到納米級添加劑時,，常規(guī)工藝往往變得適得其反。"盡管增材制造等技術(shù)發(fā)展迅速,，但其廣泛應用的一個限制因素是無法實現(xiàn)精確的粉末集成技術(shù),，無法在納米和微觀層面生產(chǎn)各種復合材料。武藤指出,，在許多情況下，問題在于使用納米粉末時,，控制復合材料的微觀結(jié)構(gòu)變得很有挑戰(zhàn)性,。他補充說："我們的靜電吸附組裝方法能夠很好地控制最終的微觀結(jié)構(gòu)形成。我們的目標是表明,，傳統(tǒng)的材料工藝可以通過使用這種技術(shù)得到改善,。"