3D打印/FDM工藝制備導熱MWCNT/PLA納米復合材料

來源：熱設計

由于高密度功率傳輸、架構復雜性、小型化、功能化和新技術應用的不斷發(fā)展，散熱成為了高性能計算和電子設備的發(fā)展瓶頸。因此，開發(fā)創(chuàng)新的高導熱材料來解決這一問題具有重要意義，常見的導熱填料如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、金屬顆粒、碳納米管(CNTs)、石墨烯等，已被廣泛用于制備聚合物復合材料，以達到期望的性能。

其中，碳納米管相對于金屬納米填料具有更大的縱橫比和靈活性，可以更好地融入聚合物基體中，以滿足熱管理要求。多壁碳納米管(MWCNT)的導熱系數(shù)為2586 ~ 3075 W/(mK) 。然而，在先前的研究中，在聚合物復合材料中加入碳納米管對熱傳導或傳熱能力的增強作用有限。因此，開發(fā)一種能夠使得碳納米管在聲子傳輸?shù)臐撏ǖ赖氖走x方向上有序排列，以及調整在復合材料中所需的填充位置，這對于實現(xiàn)快速熱傳導的迫切需求是必不可少的。

3D打印，也被稱為增材制造，是一種從3D模型數(shù)據(jù)一層一層地將材料連接起來制造物體的過程。其中直接墨水直寫(DIW)和熔融層積成型(FDM)正在成為制造聚合物納米復合材料最成功和最廣泛使用的工藝。其中FDM方法是一種簡單的方法，可以制造幾何復雜的三維結構，并可編程宏觀和微觀結構。3D打印的高縱橫比材料可以賦予打印結構特殊的多功能，包括在電氣和熱管理、能量收集、能量存儲和傳感等應用中所需要的功能。

3D打印和碳納米管的結合可以為分層排列的結構編程提供無限的可能性。為了獲得高導熱性的聚合物納米復合材料，最需要的是在聚合物基體中加入大量的填料，并控制填料的取向和位置。3D打印能夠將填料分布在復合材料中具有所需方向的特定位置，有助于形成導熱路徑，并在首選方向上提高導熱性。

成果掠影

近期，美國特拉華大學材料科學與工程系的倪超英教授在通過3D打印的方法驗證了該工藝對聚合物導熱性能的影響。該團隊利用3D打印方法制備了MWCNTt填充的聚乳酸(PLA)納米復合材料。在打印過程中，由于MWCNT/PLA復合長絲與噴嘴壁面之間的剪切力，MWCNTs沿打印方向自發(fā)形成對齊結構。XRD結果證實了MWCNTs的對準性。對齊的高填料加載不僅顯著促進傳熱，而且有助于保持加熱時結構的完整性。垂直排列的20 wt % MWCNT/PLA納米復合材料在35℃時的面內導熱系數(shù)為0.575 W/(mK)，約為水平排列結構(~ 0.218 W/(mK))的2.64倍，在相同溫度下約為純PLA (0.098 W/(mK))的5.87倍。在散熱器上進行的紅外熱成像驗證了納米復合材料與基體聚合物相比的優(yōu)越性能。在這項研究中，我們實現(xiàn)了MWCNT/PLA的增材制造，同時具有高填充率和顯著的導熱性改善。這項工作為開發(fā)用于熱管理相關應用(如散熱器或熱輻射器)的3D打印碳填料增強聚合物復合材料提出了新思路。研究成果以“Thermally Conductive 3D-Printed Carbon-Nanotube-Filled Polymer Nanocomposites for Scalable Thermal Management ”為題發(fā)表于《ACS Applied Nano Materials》。

圖1.MWCNT/PLA納米復合材料FDM工藝制備流程圖。

圖2.MWCNT/PLA納米復合材料的微觀結構、粘度變化、存儲模量和損失模量的示意圖。

圖3.MWCNT/PLA納米復合材料的光學結構和微觀結構、XRD示意圖。

圖4.MWCNT/PLA納米復合材料的TGA、熱導率和熱管理性能示意圖。

來源：ACS Applied Nano Materials
原文：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c02067