3D纳米墨水突破行业界限

用于拉伸测试的3D打印狗骨形纳米复合材料试样。图片来源：MasoudKasraie

一种新的3D可打印聚合物纳米复合墨水具有令人难以置信的特性，并且在航空航天、医学和电子领域有许多应用。

密歇根理工大学的机械工程研究人员创造了一种使用碳纳米管(CNT)制造3D可打印纳米复合聚合物油墨的方法，该油墨以其高抗拉强度和重量轻而闻名。这种革命性的墨水可以取代环氧树脂——了解其性能为何如此出色是迈向大规模使用的第一步。

3D打印，也称为增材制造，比铸造更通用、更高效。它添加了一种精确的材料，通常是复杂的几何形状，要切除的多余材料要少得多。添加碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒和量子点等低维纳米材料，使3D打印材料能够适应外部刺激，赋予它们诸如电导和热导、磁性和电化学存储等特性。

但是使用塑料、金属或其他东西的3D打印并不新鲜。技术研究人员所做的不同之处在于使用聚合物纳米复合材料(由环氧树脂、碳纳米管和纳米粘土制成)和不牺牲功能的印刷工艺。聚合物纳米复合油墨中材料类型和形态(尺寸、形状、结构)的结合是形式满足功能的终极目标。

聚合物油墨的工艺、形态和特性的探索是最近发表在《增材制造》杂志上的一篇文章的主题，作者是ParisaPourShahidSaeedAbadi，一位探索材料、力学和医学界面的工程师，研究生MasoudKasraie。

Abadi和Kasraie指出，在研究人员使用聚合物墨水冲刺参加比赛之前，他们必须首先学会走路。第一步是深入研究宏观尺度(我们的眼睛如何看待材料表现)和纳米尺度(我们看不到，但知道正在发生的)的交集。

在市场份额之前建立理解

阿巴迪指出，虽然聚合物纳米复合材料和3D打印产品和服务的市场价值都在10亿美元左右，但纳米材料3D打印的市场价值只有大约4300万美元。

在等离子蚀刻聚合物后，使用电子显微镜显示纳米材料在3D打印方向上的排列。图片来源：MasoudKasraie

“为了国家繁荣和保持全球制造业的领先地位，需要缩小3D打印和纳米材料的实际应用与纳米材料3D打印之间的差距，”阿巴迪说。“由于在3D打印过程中缺乏对纳米复合材料性能的控制，因此存在差距，因为我们不完全了解工艺-形态-性能关系。”

瓶颈在于理解3D打印过程的宏观力学与纳米复合材料的纳米级力学和物理学之间复杂的相互作用。Abadi和Kasraie的研究旨在通过探索3D打印工艺参数与纳米复合印刷油墨中纳米材料形态之间的关系来缓解瓶颈，这是最重要但探索最少的难题。

纳米材料墨水的诸多好处

超越纳米复合墨水的科学，该材料因其众多功能而具有广阔的前景。3D打印的优势之一是几乎可以完全控制最终产品的形状。

阿巴迪和Kasraie的纳米材料的油墨的电导率是一个非常方便的特点，使该印刷环氧加倍作为电位电布线电路板中，飞机的机翼或在血管中引导导管三维印刷的致动器-无论。纳米复合聚合物油墨的另一个有用特性是它的强度。

“与钢和铝相比，我们看到具有相同强度的环氧树脂复合材料的重量减轻了80%，”Kasraie说。

最后，在医疗领域、航空航天和电子行业，缺陷和损坏可能会带来烦，纳米复合材料具有安全功能。

阿巴迪说：“当某物破裂时，微小的裂纹会从微观缺陷开始，并发展到破坏整个结构。”“纳米复合材料在这些裂缝中建立了桥梁，并且不会让裂缝增长。这是碳纳米管提高材料机械强度的机制之一。”

性能重量比、导电性、增加的强度和易于应用只是聚合物纳米复合油墨可能取代传统环氧树脂的众多有希望的原因中的一小部分。

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