3D打印碳納米管增強銅基復合材料的機械行為和微觀結構

供稿人：王義凱 高琳 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近來，中南大學粉末冶金國家重點實驗室課題組通過研究碳納米管(CNTs)增強銅基復合材料的新型油墨配方，解決了目前三維打印材料的部分局限性問題。其所制備的油墨由碳納米管/銅粉、聚乙二醇/聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇/磷酸三乙酯混合溶劑組成。采用分子水平混合(MLM)、微擠壓三維打印(MED-3D)和無壓燒結( Pressureless Sintering)工藝制備的三維碳納米管/銅復合材料（表面孔隙度：6.01%：內(nèi)部孔隙度：4.45%：燒結溫度：1173K），其結構穩(wěn)定，尺寸精度高，具有出色的機械強度，最大抗壓強度為10.65±0.9MPa，比純Cu高104.9%。此外，他們還對碳納米管/銅復合材料的表面形貌和力學性能進行了表征，研究了燒結工藝參數(shù)對材料力學性能的影響。

通過3D打印制備碳納米管/銅復合材料的制作方法包括四個主要步驟(如圖1): a)用MLM工藝制備CNTs/Cu粉末； b)3D打印漿料制備，即由可溶性聚合物和CNTs/Cu粉末組成的混合物； c)3D打印制備網(wǎng)格結構樣品； d)在氫氣環(huán)境下對3D打印樣品進行無壓燒結。 在研究過程中，該課題組首先采用分子水平混合(MLM)和微擠壓三維打印(MED-3D)技術制備出碳納米管增強銅基復合材料樣品，然后進行了燒結溫度的控制與優(yōu)化，使其內(nèi)部孔隙率降低。可以發(fā)現(xiàn)（如圖2），隨著燒結溫度的升高，碳納米管/銅復合材料的表面形貌由顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)檎�體分布，提高了復合材料的致密度和強度。且在溫度到達1173k時，碳納米管/銅粉內(nèi)部產(chǎn)生了大量的相互擴散和金屬燒結現(xiàn)象，這也促進了燒結碳納米管/銅復合材料的致密化。 該研究結果說明，通過優(yōu)化燒結溫度來控制3D打印碳納米管/銅復合材料的孔隙率和機械強度是可行的；碳納米管可以通過MED-3D打印技術引入粉末狀液體油墨中；該工藝可用于制備具有足夠強度的三維打印碳納米管/銅復合材料。

圖1 CNTs/Cu復合材料的制作步驟

圖2 （a-b）在1173 K的燒結溫度下，SEM圖像的表面和純Cu的橫截面；（c/f）3D打印CNT/Cu復合材料表面、橫截面和XRD圖譜的SEM圖 像，燒結溫度為1173 K。

參考文獻：
Zhao, Q., et al., Mechanical behavior and microstructure of 3D-printed carbon nanotubes-reinforced Cu composite. Diamond and Related Materials, 2021: p. 108651.