3D打印納米墨水打破瓶頸，推動行業(yè)邊界

來源：中國科學報

美國密歇根理工大學的機械工程研究人員發(fā)明了利用碳納米管（CNTs）制作3D打印納米復合聚合物墨水的方法。碳納米管以其高拉伸強度和輕度而聞名，這種革命性的墨水可以取代環(huán)氧樹脂。

這種新型的可3D打印的聚合物納米復合墨水具有令人難以置信的性能，并在航空航天、醫(yī)藥和電子領域得到了廣泛應用。

3D打印過程及“狗骨形”納米復合材料拉伸試驗樣品。圖片來源：第一作者Masoud Kasraie

3D打印，也被稱為增材制造，比鑄造更加通用和高效。它可以在復雜的幾何形狀中精確添加一種材料，大大減少多余的切割。添加低維納米材料，如碳納米管、石墨烯、金屬納米粒子和量子點，可以使3D打印材料適應外部刺激，使其具有電導率和熱導率、磁性和電化學存儲等特性。

使用塑料、金屬或其他材料的3D打印并不新鮮。科技人員所做的不同之處是使用聚合物納米復合材料（由環(huán)氧樹脂、碳納米管和納米黏土制成）和不犧牲功能的打印過程。在聚合物納米復合墨水中，材料類型與形態(tài)（尺寸、形狀、結構）的結合就是形式與功能的最終結合。

研究材料、力學和醫(yī)學界面的工程師Parisa Pour Shahid SaeedAbadi和研究生Masoud kasrae最近在《增材制造》雜志上發(fā)表了一篇文章，探討聚合物油墨的工藝、形態(tài)和性能。

作者指出，在研究人員能夠使用聚合物油墨沖刺參加比賽之前，他們必須首先學會走路。第一步是深入研究宏觀尺度（人眼如何看到一種材料的性能）和納米尺度（人眼看不到但知道正在發(fā)生的事情）的交集。

Abadi指出，雖然聚合物納米復合材料和3D打印產(chǎn)品和服務都有10億美元的市場價值，但納米材料3D打印的市場價值只有大約4300萬美元。

等離子體刻蝕聚合物后，電子顯微鏡顯示納米材料在3D打印方向上的排列。圖片來源：Masoud Kasraie

“現(xiàn)實世界中3D打印和納米材料的應用與納米材料3D打印之間的差距需要縮小�！盇badi說，“目前差距的存在是由于在3D打印過程中缺乏對納米復合材料性能的控制，因為我們沒有完全理解過程-形態(tài)-性能的關系。”

這一瓶頸在于理解3D打印過程的宏觀力學與納米復合材料的納米力學和物理之間的復雜相互作用。Abadi等試圖通過探索納米復合打印油墨中3D打印工藝參數(shù)和納米材料形態(tài)之間的關系來緩解這一瓶頸，這是最重要的一塊拼圖。

作者表示，這種材料超越了納米復合墨水的科學范疇，有著巨大的前景，因為它有許多功能。3D打印的一個優(yōu)勢是幾乎可以完全控制最終產(chǎn)品的形狀。

新納米材料墨水的導電性是可以使打印的環(huán)氧樹脂有可能同時用作電線——無論是在電路板、飛機機翼上，還是在用于引導血管導管的3D打印驅動器上。納米復合聚合物油墨的另一個有用特性是它的強度。“與鋼和鋁相比，我們發(fā)現(xiàn)相同強度的環(huán)氧復合材料可以減輕80%的重量�！眐asrae說。

此外，在醫(yī)療領域、航空航天和電子行業(yè)，缺陷和損壞可能帶來大麻煩，納米復合材料則可以發(fā)揮安全功能�！爱斈硺訓|西斷裂時，一個微小的裂縫從一個微小的缺陷開始，一直發(fā)展到破壞整個結構。”Abadi說，“納米復合材料可以在這些裂縫中架起橋梁，而不會讓裂縫擴大。這是碳納米管提高材料機械強度的機制之一�！�

未來，聚合物納米復合油墨有望取代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂。作者表示，性能、重量比、導電性、強度的提高和易用性只是其中的幾個原因。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102098