突破行業(yè)界限，密歇根理工研究人員制造3D納米墨水

導讀：3D打印正在逐漸變成一種更通用、更高效的技術(shù)。為了進一步開發(fā)這項技術(shù)，研究人員通常會使用碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒和量子點等低維納米材料，使新型3D打印材料能夠適應外部刺激，賦予電導、熱導、磁性和電化學存儲等特性。

密歇根理工大學的機械工程研究人員創(chuàng)造了一種方法，制造出一種使用碳納米管 (CNT) 的3D可打印納米復合聚合物油墨，并具有高拉伸強度且重量很輕。他們希望這種新型墨水可以替代環(huán)氧樹脂，邁向大規(guī)模使用。研究人員所做的不同之處在于使用聚合物納米復合材料（由環(huán)氧樹脂、碳納米管和納米粘土制成）和不犧牲材料功能性的打印工藝。

△圖1.具有不同CNT濃度的環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂-納米粘土和環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復合油墨的流變特性。

走在市場之前

盡管聚合物納米復合材料和3D打印產(chǎn)品和服務的市場價值都在10億美元（約64.7億人民幣）左右，但納米材料3D打印的市場價值只有大約4300萬美元（約2.78億人民幣）。而研究領域也尚未全面了解在3D打印過程中對納米復合材料特性的控制，例如形態(tài)-特性的關(guān)系。

△圖2.使用納米復合油墨的3D打印。

技術(shù)瓶頸在于如何理解3D打印過程的宏觀力學與納米復合材料的納米級力學和物理學之間復雜的相互作用。而這項研究旨在通過探索3D打印工藝參數(shù)與納米復合打印油墨中納米材料形態(tài)之間的關(guān)系來尋找問題的關(guān)鍵。

△圖3.3D打印的環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復合材料的SEM和TEM圖像。

納米墨水的優(yōu)點

研究人員認為納米墨水的導電性能使打印的環(huán)氧樹脂具有作為電線的潛力，無論是在電路板、飛機的機翼中還是在引導血管導管的3D打印致動器。納米復合聚合物油墨的另一個特性是它的強度。與鋼和鋁相比，具有相同強度的環(huán)氧樹脂復合材料的重量減輕了80%。

△圖4.澆鑄純環(huán)氧樹脂和3D打印環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復合材料的機械測試結(jié)果。

納米復合材料在醫(yī)療領域、航空航天和電子行業(yè)具有安全功能。研究人員稱，當物體破裂時，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。另外，性能重量比、導電性、增加的強度和易于應用等因素也是聚合物納米復合油墨可能取代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的原因。

參考文獻：Masoud Kasraie, Parisa PourShahid Saeed Abadi. Additive manufacturing of conductive and high-strengthepoxy-nanoclay-carbon nanotube composites. Additive Manufacturing, 2021; 46:102098 DOI: 10.1016/j.addma.2021.102098

文獻地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860421002633?via%3Dihub