碳納米管/石墨烯復合材料的熔融沉積制造

目前FDM工藝（熔融沉積制造），雖然已經廣泛應用于科研、教育、家庭生活等諸多領域，但是針對FDM打印的功能型原材料還十分有限，這大大限制著FDM的進一步發(fā)展。研究表明納米導電材料復合材料，如碳納米管(CNT)、石墨烯(G)和金屬顆粒等，可用于制造高電導率、高導熱率、高機械強度和剛度的多功能性能的物體。研究用于3D打印的納米材料復合聚合物材料將有利于發(fā)揮3D打印的制造優(yōu)勢，快速便捷地制造各種功能型零件。

日前，荷蘭艾因霍溫科技大學，G. de With教授團隊在“Applied Materials Today”上發(fā)表文章，講述了該團隊所研制的可用于FDM工藝的碳納米管和石墨烯復合材料。該材料的制備過程主要為：將碳納米管和石墨烯分散于異丙醇中，將聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）粉末加入混合溶液超聲分散。然后將溶劑異丙醇揮發(fā)得到包覆有導電填料的PBT粉末，經室溫干燥，將該粉末送入擠出機擠出，從而得到絲材，如圖1所示。

圖1. (a)擠出的PBT/CNT絲材, (b)3D打印的PBT/CNT單層結構, (c)PBT/CNT單層結構電鏡照,（d）擠出的PBT/G絲材, (e)3D打印的PBT/G單層結構, (f)PBT/G單層結構電鏡照

隨后，研究人員對PBT/CNT復合材料、PBT/G復合材料的電性能、結晶特性、熱性能、工藝特性進行了研究。如圖2所示，實驗結果顯示：增加了納米材料后復合材料的結晶溫度上升，但結晶溫度與納米材料含量呈現非正比關系。熱重分析表明，在氧化條件下，加入的納米材料后起始溫度和最大降解溫度都有所提高，材料的熱穩(wěn)定性提高。動力學分析表明，CNT/PBG復合材料的剛度明顯優(yōu)于GR/PBT。

圖2.(a)不同CNT含量和G含量的復合材料的電導率, (b) DSC曲線, (c )儲能模量和損耗模量, (d)雙噴頭擠打印機3D打印的復合材料零件

參考文獻
K.Gnanasekaran, T. Heijmans, S. van Bennekom, H. Woldhuis, S. Wijnia, G. de With, H. Friedrich. 3D printing of CNT- and graphene-based conductive polymer nanocomposites by fused deposition modeling. Applied Materials Today 9 (2017) 21–28.
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352940717300586

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室