意大利研究者研發(fā)新型3D打印聚合物復(fù)合材料，提高材料性能

2022年6月，南極熊獲悉，來自意大利特倫托大學(xué)的研究者們開發(fā)了一種新型的3D打印聚合物復(fù)合材料，該復(fù)合材料采用了無溶劑工藝進(jìn)行制備，填充了石墨烯等材料。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Nanomaterials》上，題目為《Three Dimensional Printing of Multiscale Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites Containing Graphene or Carbon Nanotubes》（《含有石墨烯或碳納米管的多尺度碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的三維打印》）




△包含石墨烯或碳納米管的多尺度碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的三維打印研究

3D打印聚合物復(fù)合材料
使用3D打印制造包含不同多尺度增強(qiáng)材料的熱塑性復(fù)合材料一直是材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。嵌入多尺度填料顆�？梢栽鰪�(qiáng)3D打印聚合物的性能，例如它們的機(jī)械性能、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。

該研究領(lǐng)域已在增材制造領(lǐng)域得到應(yīng)用，可以通過擴(kuò)展可打印的材料來改進(jìn)熔絲制造FFF的產(chǎn)品性能。在過去的十年中，人們針對(duì)各種行業(yè)的新型聚合物材料的合成進(jìn)行了深入研究。在當(dāng)前研究中，研究人員評(píng)估了幾種納米級(jí)和微米級(jí)顆粒在增強(qiáng)聚合物性能方面的潛力。例如，碳基材料可以提高剛度、耐腐蝕性和減輕重量等。


△純 ABS、ABS/MCF、ABS/MCF/CNT 和 ABS/MCF/GNP 復(fù)合材料的擠出長絲。

在過去的幾年中，研究人員還研究了研磨碳纖維之類的微填料和石墨烯納米片以及碳納米管之類的納米填料，作為聚合物復(fù)合改性劑的性能。研究表明，包含導(dǎo)電納米粒子的納米復(fù)合材料在 3D 打印設(shè)備（如微型電池、電子傳感器和微電路）中具有巨大的應(yīng)用前景。

研究表明，使用熔融沉積制造的聚合物復(fù)合材料具有增強(qiáng)的韌性、增加的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、彈性模量和許多其他優(yōu)異特性。例如，多壁碳納米管能使得電阻變化和濃度之間具有直接相關(guān)性，在降低負(fù)載時(shí)響應(yīng)增強(qiáng)。不同聚合物復(fù)合材料中特定濃度的碳納米管可以增加導(dǎo)電性。包含分散石墨烯納米片的ABS復(fù)合材料具有高的熱穩(wěn)定性和彈性模量，但降低了斷裂應(yīng)變和應(yīng)力。此外，石墨烯納米粒子改性的聚丙烯具有高的界面剪切強(qiáng)度。

研究
研究人員采用了一種新的無溶劑工藝來生產(chǎn)多尺度復(fù)合長絲。研究了不同比例的碳基增強(qiáng)材料加入ABS 聚合物基體中的性能。（研磨碳纖維、碳納米管和石墨烯納米片）。


△啞鈴型和平行六面體試樣（80 mm × 10 mm × 3.8 mm）

研究結(jié)果
●研究結(jié)果表明，碳納米管和石墨烯納米片填料提高了復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度，但研磨碳纖維的添加降低了其斷裂應(yīng)變值。納米填料還提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，其中，碳納米管的導(dǎo)電增強(qiáng)性能最強(qiáng)。

●最終的樣品密度和性能受生產(chǎn)過程的影響很大。由于3D打印過程會(huì)產(chǎn)生空隙，樣品的延展性損失高達(dá)65%。這種延展性在每種復(fù)合材料中都是不同的。所有具有碳納米管的復(fù)合材料都具有低電阻率。

●作者提出了比較參數(shù)和選擇性參數(shù)來評(píng)估最佳組合物�；�于可加工性和性能評(píng)估組合物，以闡明它們對(duì)傳感器和熱電設(shè)備等應(yīng)用的適用性。


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△CM和3D打印樣品在不同 MCF 和CNT含量中的電阻率。

總結(jié)
1. 本研究的新穎之處在于通過無溶劑工藝，對(duì)基于微纖維（MCFs）和納米填料（CNTs或GNPs）的不同比例的多尺度碳質(zhì)ABS復(fù)合材料進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膹?fù)合、加工和表征。

2. 壓縮成型的ABS復(fù)合材料樣品的機(jī)械性能（模量和強(qiáng)度）因添加微填料（CNTs和GNPs）而提高，斷裂應(yīng)變值因添加微填料（MCFs）而降低。與純ABS和微型復(fù)合材料相比，納米填料的導(dǎo)電性能得到了改善，CNT填料達(dá)到了最佳性能。

3. 多尺度ABS/MCF/GNP復(fù)合材料對(duì)壓縮成型樣品的機(jī)械性能有良好的影響。反之，ABS/CNTs在導(dǎo)電性方面得到了明顯的改善。生產(chǎn)加工過程會(huì)極大地影響了樣品的密度，從而影響了它們的機(jī)械、電氣和熱性能。特別是，如果與CM試樣相比，由于空隙的存在，3D打印的樣品呈現(xiàn)出急劇的延展性損失（在33-65%的范圍內(nèi)），即使對(duì)于某些成分的導(dǎo)電性能可以保持。

總體而言，該論文展示了一種具有潛在優(yōu)勢(shì)的多尺度聚合物復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，證明其將有利于多個(gè)行業(yè)，例如傳感器和熱電設(shè)備。

全文鏈接：https://doi.org/10.3390/nano12122064