一種新的 3D 可打印聚合物納米復(fù)合墨水具有令人難以置信的特性,并且在航空航天、醫(yī)學和電子領(lǐng)域有許多應(yīng)用。
密歇根理工大學的機械工程研究人員創(chuàng)造了一種使用碳納米管 (CNT) 制造 3D 可打印納米復(fù)合聚合物油墨的方法,該油墨以其高抗拉強度和重量輕而聞名。這種革命性的墨水可以取代環(huán)氧樹脂——了解其性能為何如此出色是邁向大規(guī)模使用的第一步。
3D打印,也稱為增材制造,比鑄造更通用、更高效。它添加了一種精確的材料,通常是復(fù)雜的幾何形狀,要切除的多余材料要少得多。添加碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒和量子點等低維納米材料,使 3D 打印材料能夠適應(yīng)外部刺激,賦予它們諸如電導和熱導、磁性和電化學存儲等特性。
但是使用塑料、金屬或其他東西的 3D 打印并不新鮮。技術(shù)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)和不犧牲功能的印刷工藝。聚合物納米復(fù)合油墨中材料類型和形態(tài)(尺寸、形狀、結(jié)構(gòu))的結(jié)合是形式滿足功能的終極目標。
研究人員指出,在研究人員使用聚合物墨水沖刺參加比賽之前,他們必須首先學會走路。第一步是深入研究宏觀尺度(我們的眼睛如何看待材料表現(xiàn))和納米尺度(我們看不到,但知道正在發(fā)生的)的交集。
在市場份額之前建立理解
研究人員指出,雖然聚合物納米復(fù)合材料和 3D 打印產(chǎn)品和服務(wù)的市場價值都在 10 億美元左右,但納米材料 3D 打印的市場價值只有大約 4300 萬美元。
為了國家繁榮和保持全球制造業(yè)的領(lǐng)先地位,需要縮小 3D 打印和納米材料的實際應(yīng)用與納米材料 3D 打印之間的差距,”研究人員說?!坝捎谠?3D 打印過程中缺乏對納米復(fù)合材料性能的控制,因此存在差距,因為我們不完全了解工藝-形態(tài)-性能關(guān)系。
瓶頸在于理解 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。研究人員的研究旨在通過探索 3D 打印工藝參數(shù)與納米復(fù)合印刷油墨中納米材料形態(tài)之間的關(guān)系來緩解瓶頸,這是最重要但探索最少的難題。
納米材料墨水的諸多好處
超越納米復(fù)合墨水的科學,該材料因其眾多功能而具有廣闊的前景。3D 打印的優(yōu)勢之一是幾乎可以完全控制最終產(chǎn)品的形狀。
研究人員的納米材料的油墨的電導率是一個非常方便的特點,使該印刷環(huán)氧加倍作為電位電布線電路板中,飛機的機翼或在血管中引導導管三維印刷的致動器-無論。納米復(fù)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,我們看到具有相同強度的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的重量減輕了80% ,”研究人員說。
最后,在醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天和電子行業(yè),缺陷和損壞可能會帶來大麻煩,納米復(fù)合材料具有安全功能。
研究人員說:“當某物破裂時,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?!?/p>
性能重量比、導電性、增加的強度和易于應(yīng)用只是聚合物納米復(fù)合油墨可能取代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的眾多有希望的原因中的一小部分。
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