陳 磊

基于碳納米管復(fù)合材料的3D打印技術(shù)研究

陳 磊

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)材料的運(yùn)用無(wú)法分離。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，復(fù)合材料也得到快速的發(fā)展，促進(jìn)了復(fù)合材料的大范圍運(yùn)用，也為3D打印技術(shù)的升級(jí)提供基礎(chǔ)的資源?，F(xiàn)階段，不同復(fù)合技術(shù)的出現(xiàn)，刺激社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，這其中就包含了3D打印技術(shù)、激光固化成型技術(shù)、3D打印成型工藝技術(shù)、電子束固化成型技術(shù)。以碳納米管復(fù)合材料為基礎(chǔ)，加強(qiáng)3D打印技術(shù)研究，使得復(fù)合材料運(yùn)用范圍更加廣闊。本文重點(diǎn)分析了碳納米管復(fù)合材料、3D打印技術(shù)、3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向。

碳納米管； 復(fù)合材料； 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，讓多種行業(yè)發(fā)生了巨大改變，提升了行業(yè)發(fā)展速度，刺激了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與升級(jí)，其已經(jīng)發(fā)展成為了不同類型的打印技術(shù)。對(duì)碳納米管復(fù)合材料的3D打印技術(shù)的研究已經(jīng)初見(jiàn)成效，還應(yīng)不斷研究與改進(jìn)。本文針對(duì)碳納米管復(fù)合材料、3D打印技術(shù)及發(fā)展前景、基于碳納米管復(fù)合材料的3D打印技術(shù)研究等進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述。

1 碳納米管復(fù)合材料

復(fù)合材料中，聚合物的復(fù)合材料比較常見(jiàn)，通常碳材料可以分為炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯等，與其他物質(zhì)相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料研究比較廣泛。而炭黑、碳納米管、石墨烯等中間，碳納米管作用較多，其具有一定的導(dǎo)電性以及導(dǎo)熱性能。碳納米管是碳柱，可以將高階間相聚合物層進(jìn)行誘導(dǎo)，進(jìn)而形成一種能力。目前，運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行碳納米管復(fù)合材料的制備已經(jīng)成為多數(shù)研究人員研究的重點(diǎn)[1]。

2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是新時(shí)代產(chǎn)生的一種用于對(duì)于復(fù)雜組件進(jìn)行科學(xué)制造的技術(shù)，其工作原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)于設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助，之后使用材料成型設(shè)備逐漸進(jìn)行疊加，進(jìn)而制造出計(jì)算機(jī)導(dǎo)入模型與結(jié)構(gòu)相同的實(shí)體。近些年來(lái)，3D打印技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是制造業(yè)發(fā)生的一次技術(shù)的巨大變革，其材料利用概率比較高，并且成本低，根本不需要傳統(tǒng)機(jī)床、刀具、模具等的應(yīng)用，就可以在短時(shí)間精確地將三維模型直接轉(zhuǎn)化成為實(shí)體，其應(yīng)用范圍相對(duì)比較廣泛，但是應(yīng)用最多的就是生物組織工程、車輛制造業(yè)、航空與航天、工程復(fù)合材料、電子器件、儲(chǔ)能等方面[2]。

3D打印技術(shù)依據(jù)制造塑性工藝的關(guān)鍵點(diǎn)，可以分為光固化立體成型、熔融沉積造型、紫外輔助3D打印成型、數(shù)字光處理成型、液體沉積造型、溶劑澆鑄成型、選擇性激光燒結(jié)等。雖然不同3D打印技術(shù)的成型工藝的技術(shù)核心各有千秋，但是在成型中運(yùn)用到的材料都是陶瓷、金屬、聚合物以及復(fù)合材料。在這些中，聚合物的復(fù)合材料的種類比較多，并且其成本較低，強(qiáng)度、導(dǎo)電以及可操作性很強(qiáng)，其已經(jīng)備受很多企業(yè)或是廠家的關(guān)注。

3 3D打印技術(shù)發(fā)展的前景

3D打印技術(shù)發(fā)展與材料研制密不可分。從碳納米管復(fù)合材料研究中，可以對(duì)基質(zhì)材料、復(fù)合材料填充物進(jìn)行研發(fā)，進(jìn)而研究出與打印設(shè)備匹配的材料。材料研制應(yīng)考量的因素還包括打印性能、功能化，并及時(shí)的將打印中產(chǎn)生噴嘴堵塞的問(wèn)題及時(shí)解決，將打印設(shè)備的性能最大限度提升，這也是打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素[3]。3D打印技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)獲得巨大的發(fā)展，關(guān)于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)開始涌向世界各地，普及不同行業(yè)以及領(lǐng)域，但是3D打印技術(shù)直到目前依然不是很成熟，未來(lái)還有一定發(fā)展空間，特別是對(duì)于復(fù)合材料的制備。從原則上來(lái)講，3D打印技術(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將其打印成模型，模型打印進(jìn)入打印機(jī)的系統(tǒng)，設(shè)備可以通過(guò)切片上存在的數(shù)據(jù)將模型直接還原成為實(shí)體[4]。由于打印設(shè)備存在一定的制約，精度欠缺，其會(huì)影響模型或者是實(shí)體打印的精確度。如果是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高的模型，運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印，可能依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)，對(duì)3D打印技術(shù)的精度進(jìn)行深入且科學(xué)的研究，提升打印設(shè)備精度，應(yīng)該是將來(lái)專家需要全力研究的一個(gè)目標(biāo)。

由于3D打印技術(shù)集成與智能化，3D打印技術(shù)在將來(lái)發(fā)展過(guò)程中，材料表面如果產(chǎn)生毛孔或者是其他缺陷，就可以運(yùn)用3D打印技術(shù)，在其中嵌入一些智能檢測(cè)的模塊，將復(fù)合材料上的缺陷進(jìn)行層層修復(fù)。3D打印技術(shù)在將來(lái)一段時(shí)間發(fā)展中，可能是以研究與應(yīng)用為基礎(chǔ)，生產(chǎn)方面可能投入相對(duì)減少，尤其是具有比較特殊性能的產(chǎn)品，可見(jiàn)在接下來(lái)幾年里，3D打印技術(shù)將可能會(huì)形成生產(chǎn)體系，將產(chǎn)品盡可能的產(chǎn)業(yè)化，并不斷融入人們的生活，加強(qiáng)其推廣的速度[5]。

4 基于碳納米管復(fù)合材料的3D打印技術(shù)研究

4.1 加強(qiáng)對(duì)溶劑澆鑄成型技術(shù)的研究

3D打印技術(shù)是以聚合物溶劑的凝固成型為基礎(chǔ)增材制造模式，可以在移動(dòng)平臺(tái)上通過(guò)機(jī)器人對(duì)聚合物溶劑進(jìn)行科學(xué)操作，并按照相關(guān)程序?qū)⒛Ｐ驮谄脚_(tái)上進(jìn)行沉積，主要是利用蒸發(fā)溶劑促使沉積樣凝固成型。這種以溶液為基礎(chǔ)的打印技術(shù)，在未來(lái)具有一定的發(fā)展?jié)摿?，其主要?yōu)勢(shì)是精度比較高、簡(jiǎn)單，便于操作，并且價(jià)格比較低廉，在相關(guān)材料制備方面也有一定的便利。溶劑澆鑄成型在運(yùn)用3D打印技術(shù)的前提下，材料的選擇相對(duì)也比較靈活，材料調(diào)節(jié)容易，根本不需要對(duì)于填充物進(jìn)行考量，避免復(fù)合材料的熔點(diǎn)發(fā)生變化[6]。

溶劑澆鑄成型在現(xiàn)階段也只是處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段，還不曾將其運(yùn)用于市場(chǎng)上，也沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)的推廣，讓眾人知曉有這項(xiàng)技術(shù)的存在。但是實(shí)驗(yàn)研究成果卻比較明顯，其優(yōu)勢(shì)主要在于對(duì)于高填充的粒子含量復(fù)合材料的制備。制備打印墨水需要進(jìn)行相應(yīng)的溶解、球磨等，將已經(jīng)得到的碳納米管復(fù)合材料在常溫下進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間為1天，將經(jīng)過(guò)干燥之后的碳納米管復(fù)合材料在適量的二氯甲烷中進(jìn)行溶解，進(jìn)而制備出打印墨水。經(jīng)過(guò)研究人員的相關(guān)測(cè)試得出，碳納米管復(fù)合材料的濃度是2%，導(dǎo)電性就能到達(dá)45 s/m，經(jīng)過(guò)此實(shí)驗(yàn)可以對(duì)于液體傳感器的靈敏度進(jìn)行進(jìn)一步的研究[7]。

有研究人員使用球磨的方法，將復(fù)合材料中碳納米管復(fù)合材料的含量提高到40%，雖然其力學(xué)性能還不是很高，但是制備已經(jīng)比較順利。研究人員還需要考量力學(xué)性能、導(dǎo)電性以及打印功能的因素。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示，含有30%的碳納米管復(fù)合材料，其濃度可以達(dá)到最佳效果，其導(dǎo)電的性能已經(jīng)到達(dá) 2 350 s/m。在后續(xù)研究工作的開展中，研究人員使用相同的方法利用打印技術(shù)制備出了具有高導(dǎo)電性能的納米復(fù)合材料，并將其用于對(duì)于電磁屏蔽的研究過(guò)程中。研究人員經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行制備與打印，可以最大限度地提升復(fù)合材料的導(dǎo)電性能[8]。

4.2 重視對(duì)光固化立體成型技術(shù)的研究

由于3D打印技術(shù)以成型方式不同，可以將其分為光固化3D打印、熔融材料3D打印、黏結(jié)材料3D打印，這這幾者之間，光固化3D打印技術(shù)將熔融材料3D打印、黏結(jié)材料3D打印的優(yōu)點(diǎn)集于一身，是最早開始實(shí)用的技術(shù)之一，其成型的精度比較高，打印速度較快，原理是運(yùn)用紫外光照射液態(tài)光聚物進(jìn)而成型，運(yùn)用材料是液態(tài)光敏樹脂，其成分是小分子活性單體、光引發(fā)劑、光敏樹脂預(yù)聚物。

現(xiàn)在光固化立體成型應(yīng)用比較廣泛，但是光固化立體成型依然存在在部分欠缺，例如組件的力學(xué)性能不如壓模等傳統(tǒng)制備模式。因此，部分研究人員已經(jīng)對(duì)于3D打印技術(shù)組件電氣與力學(xué)性能進(jìn)行科學(xué)研究。在研究中，將碳納米管復(fù)合材料分散性能進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，并積極研究碳納米管復(fù)合材料在熱固化之后的處理模式，將這兩者進(jìn)行結(jié)合，可以將光固化組件力學(xué)的性能明顯提升，保障其力學(xué)性能的整體性增強(qiáng)，本次研究發(fā)現(xiàn)其拉伸強(qiáng)度為48 MPa，楊氏模量是885 MPa，研究的力學(xué)性能已經(jīng)顯著達(dá)到注塑組件基準(zhǔn)的性能。伸長(zhǎng)率雖然比注塑零件的數(shù)值低，對(duì)于熱固性材料也是可以接受的。通過(guò)對(duì)于光固化立體成型技術(shù)的科學(xué)分析，可以了解到3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是成型精度比較高、質(zhì)量高、固化比較快。從目前研究來(lái)看，功能性以及智能材料研究已經(jīng)明顯增多。研究發(fā)現(xiàn)，光固化技術(shù)后期處理程序比較麻煩，加上一些材料研發(fā)的問(wèn)題，可見(jiàn)3D打印技術(shù)光固化技術(shù)在對(duì)于復(fù)合材料制備的過(guò)程中依然還需要很大的改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)是新時(shí)代的一項(xiàng)技術(shù)，其具有較大的意義，3D打印技術(shù)材料制造工藝與傳統(tǒng)工藝技術(shù)比較，其利用率明顯提升，也不需要運(yùn)用模型。在3D打印技術(shù)運(yùn)用碳納米管復(fù)合材料，可以保障打印技術(shù)的充分應(yīng)用。但是由于3D打印技術(shù)依然存在一些欠缺，引起多數(shù)專家的關(guān)注與重視，通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)的研究，進(jìn)一步預(yù)測(cè)其在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)以及發(fā)展前景，促進(jìn)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。

［1］林志丹，賀子芹，曹琳，等. 一種3D打印導(dǎo)線用導(dǎo)電ABS/PLA復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用：中國(guó)，CN201510411122.4 [P]. 2015- 07- 14.

［2］張正義，陳英紅，戚方偉，等. 固相剪切碾磨制備尼龍12/多壁碳納米管復(fù)合粉體及選擇性激光燒結(jié)3D打印[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2016，31（3）：89-91.

［3］王艷，范澤文，趙建，等. 3D打印制備碳納米管/環(huán)氧樹脂電磁屏蔽復(fù)合材料[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2018，36（1）：7-12.

［4］諸葛祥群，岑發(fā)源，成天耀，等. MWNTs/ABS導(dǎo)電3D打印復(fù)合耗材的制備與性能[J]. 塑料，2016（2）：68-72.

［5］林志丹，張光正，鄧淑玲，等. 一種3D打印用導(dǎo)電ABS/PC復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用：中國(guó)，CN201510411123.9 [P].2015-11- 11.

［6］劉豐豐，楊衛(wèi)民，王成碩，等. 熔融微分3D打印制造MWCNTs/PLA可導(dǎo)電功能性制品[J]. 塑料，2016，21（6）：1-4.

［7］諸葛祥群. 基于3D打印的導(dǎo)電復(fù)合材料基板制備及在銅電解精煉中的應(yīng)用[D]. 桂林：桂林理工大學(xué)，2017.

［8］陳寧，夏和生，張杰，等. 聚合物基微納米功能復(fù)合材料3D打印加工的研究[J]. 高分子通報(bào)，2017（10）：85-88．

Research on 3D Printing Technology Based on Carbon Nanotube Composites

（Panjin Vocational and Technical College, Liaoning Panjin 124000, China）

The development of modern technology cannot be separated from the use of related materials. With the development of social economy, composite materials have also developed rapidly, which has promoted the widespread use of composite materials and also provided basic resources for the upgrade of 3D printing technology. The emergence of different composite technologies has stimulated the further development of the social economy, such as 3D printing technology, laser curing molding technology, 3D printing molding process technology, and electron beam curing molding technology. Based on carbon nanotube composite materials, the research of 3D printing technology has been strengthened, so that the application range of composite materials is wider and wider. In this article, carbon nanotube composite materials and 3D printing technology were analyzed as well as the future development direction of 3D printing technology.

carbon nanotube ; composite materials; 3D printing technology

2019-12-25

陳磊（1985-），女，講師，碩士研究生，遼寧省葫蘆島市人，2011年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，研究方向：聚合物加工生產(chǎn)技術(shù)。

TQ050.4+3

A

1004-0935（2020）04-0390-03