《ACS AMI》綜述: 3D打印高聚物復(fù)合材料及其內(nèi)在場(chǎng)引發(fā)的納米顆粒組裝

來源：化學(xué)與材料科學(xué)

納米顆粒的長(zhǎng)程有序組裝對(duì)材料的各項(xiàng)異性特征有重要意義。對(duì)于有序納米顆粒復(fù)合材料的制造，傳統(tǒng)鑄造受制于有限的產(chǎn)品形貌；施加外部場(chǎng)力對(duì)所施加的磁、電、聲場(chǎng)的空間分布有較高要求；使用預(yù)制作的基底則將使制造流程復(fù)雜化。而3D打印在制造有序納米復(fù)合材料方面有著先天優(yōu)勢(shì)。在較高的形貌自由度基礎(chǔ)上，剪切應(yīng)力誘導(dǎo)下的納米顆粒排列可賦予復(fù)合材料各向異的力學(xué)與傳輸性能，或可對(duì)能源與醫(yī)療材料等有所裨益。

美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)宋克男教授以及先進(jìn)材料與制造實(shí)驗(yàn)室Advanced Materials Advanced Manufacturing Laboratory (AMAML) 就3D打印高聚物復(fù)合材料及其內(nèi)在場(chǎng)引發(fā)的納米顆粒組裝進(jìn)行了歸納與展望，并且于ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表了綜述文章：Intrinsic Field-Induced Nanoparticle Assembly in Three-Dimensional (3D) Printing Polymeric Composites (DOI: 10.1021/acsami.1c12763)。文章主要以噴墨打印、電流體動(dòng)力打印、熔積成型打印、墨水直寫打印、多相墨水直寫打印以及非擠出打印為分類，羅列了高聚物中剪切應(yīng)力引起的納米顆粒定向排列的具體實(shí)例。

圖1為各種3D打印與其對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力引發(fā)納米顆粒定向排列方法

對(duì)于噴墨3D打印，當(dāng)分散的納米顆粒自小口徑噴嘴中噴出，墨水會(huì)承受剪切應(yīng)力，從而使納米顆粒沿噴出方向排列。常見的納米顆粒包括金屬納米顆粒、半導(dǎo)體納米顆粒、高聚物分子鏈等。

圖2為噴墨3D打印水凝膠及其納米顆粒排布

圖3為噴墨3D打印中的銀納米線、液晶、有機(jī)半導(dǎo)體晶體的取向

電流體動(dòng)力3D打印利用連接到噴口的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液體擠出。其涉及的納米顆粒包括碳納米材料、金屬納米顆粒、有機(jī)半導(dǎo)體、陶瓷顆粒等。納米顆粒的排布或與形成的泰勒?qǐng)A錐和其帶來的牽引力相關(guān)。

圖4為電流體動(dòng)力3D打印與氧化石墨烯、銀納米線的取向排布

圖5為電流體動(dòng)力3D打印與有機(jī)半導(dǎo)體、銀-氧化鋅納米棒的取向排布

熔積成型3D打印可利用單噴嘴、多噴嘴、噴嘴內(nèi)植入制造高分子復(fù)合材料。當(dāng)熔融的料絲經(jīng)過噴嘴，壓力與剪切應(yīng)力會(huì)使大分子及包含的納米顆粒沿熔融料絲的流動(dòng)方向排布。顆粒的取向度則受各打印參數(shù)影響。常見的增強(qiáng)相包括碳納米材料及碳纖維、金屬和金屬氧化物顆粒、半導(dǎo)體顆粒等。對(duì)力學(xué)性能的增強(qiáng)，�？梢杂没旌戏▌t進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖6為線性低密度聚乙烯/納米石墨片與聚醚醚酮/增強(qiáng)纖維復(fù)合材料取向在熔積成型3D打印中的實(shí)例

圖7為共聚聚酯、熱塑性聚氨酯彈性體、ABS工程塑料基體的熔積成型3D打印及其取向

圖8為增強(qiáng)相對(duì)熔積成型3D打印部件力學(xué)性能的影響

與熔積成型3D打印機(jī)理類似，墨水直寫3D打印也是擠出打印的一種。墨水直寫可以打印有剪切稀化現(xiàn)象的高分子溶液、納米顆粒膠質(zhì)、及復(fù)合凝膠。經(jīng)由特殊噴頭擠出的多相液體打印，則可劃分為多相墨水直寫3D打印。

圖9為包含碳纖維、氮化硼、纖維素納米晶體的墨水直寫3D打印

圖10為紫外光固化墨水直寫3D打印、核-殼結(jié)構(gòu)打印以及氧化石墨烯/海藻酸鈉材料的取向測(cè)量

圖11為多相墨水直寫3D打印的納米層狀結(jié)構(gòu)

雙光子/多光子3D打印以其高分辨率框限納米顆粒，近年亦受到了諸多關(guān)注。

圖12為非擠出3D打印中的納米顆粒取向及對(duì)取向度的測(cè)量

文章最后指出，不同3D打印方法兼容不同的材料，難以得出普適的制造方案；高分辨率3D打印往往受制于較低的打印速度，從而限制了其發(fā)展；一些預(yù)處理和后處理常常帶給納米顆粒的取向帶來不確定因素；且3D打印尚無標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量控制體系。以上四點(diǎn)為3D打印在納米復(fù)合各向異性材料方面所面臨的挑戰(zhàn)。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c12763