突破行業(yè)界限,，密歇根理工研究人員制造3D納米墨水

導讀：3D打印正在逐漸變成一種更通用,、更高效的技術(shù),。為了進一步開發(fā)這項技術(shù),，研究人員通常會使用碳納米管,、石墨烯,、金屬納米顆粒和量子點等低維納米材料，使新型3D打印材料能夠適應(yīng)外部刺激,，賦予電導,、熱導、磁性和電化學存儲等特性,。

密歇根理工大學的機械工程研究人員創(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與納米復(fù)合材料的納米級力學和物理學之間復(fù)雜的相互作用。而這項研究旨在通過探索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

研究人員認為納米墨水的導電性能使打印的環(huán)氧樹脂具有作為電線的潛力,，無論是在電路板,、飛機的機翼中還是在引導血管導管的3D打印致動器。納米復(fù)合聚合物油墨的另一個特性是它的強度,。與鋼和鋁相比,，具有相同強度的環(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,，當物體破裂時,，微小的裂紋會從微觀缺陷開始，并發(fā)展到破壞整個結(jié)構(gòu),。納米復(fù)合材料在這些裂縫中建立了橋梁,，并且不會讓裂縫增長。這是碳納米管提高材料機械強度的機制之一,。另外,，性能重量比、導電性,、增加的強度和易于應(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：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

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