据悉，阿联酋哈利法科技大学探索碳纳米填料对AM部件机械和热性能的影响及其在结构应用中的使用等。相关论文以“Additive manufacturing of carbon nanocomposites for structural applications”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。
增材制造(AM)，也被称3D打印，近年来在科学和技术领域引起了广泛关注。改进AM工艺和材料是必要的，尤其是在机械应用中的结构和承重部件方面。纳米填料的加入有可能改善增材制造部件的机械性能，使其适用于结构应用。像石墨烯和碳纳米管这样的碳纳米填料因其优异的性能而备受关注。一些研究已经证明使用碳纳米填料可以改善3D打印部件的电气性能，促进其在电气和电子应用中的使用。然而，针对结构和机械应用的研究还很有限。
这篇论文旨在探索碳纳米填料对AM部件机械和热性能的影响及其在结构应用中的使用。此外，还探讨了打印方向、纳米填料添加方式、纳米填料分散等参数的影响。综述指出，碳纳米填料的添加改善了增材制造部件的力学性能和热性能，使其更适合于结构应用。
关键字：增材制造;纳米复合材料;石墨烯;碳纳米管;结构部件
图 1.不同碳纳米材料及其结构示意图。
图 2.(A)原始粉末和含有1%氧化石墨烯(GO)的PEEK/PVA-GO粉末的SEM显微照片。(B)原始PEEK、PVA和GO粉末的XRD谱图。(C)含0.5%、1%、1.5%和2%GO的PEEK/PVA支架和PEEK/PVA-GO支架的XRD谱图。(D)制备用于SLS工艺的PEEK-PVA-GO粉末。在去离子水中对氧化石墨烯和聚合物进行超声和搅拌的方法有助于减少打印材料中的团聚。PEEK/PVA GO悬浮液呈均匀溶液。
图 3.(A) DIW 过程中纳米填料在喷嘴中的排列示意图。(B)3D 打印液滴形状随表面张力的变化。(C)可用于打印部件的不同方向(根据 ISO/ASTM 标准)。(D) SLA 打印的 GO 纳米复合材料的颜色随退火温度的升高而变化。
图 4.图中展示了可承受较大重量的三维打印LIRF焊接MWCNT/PLA链节及其强度演示。并给出了3D打印部件和经过LIRF焊接后处理的部件的断裂强度和断口图像。
图 5.(A、B)完全由3D打印制造的非金属电机。部分部件在PA中使用了rGO，其他部件则使用了纯PA。(C, D) 3D打印PA/rGO与纯PA的拉伸和压缩性能比较。
图 6.(A)通过SLS工艺在 PA12 中使用 MWCNT 制作的吸能超材料结构，以及构成晶格的单胞。(B)结构的能量吸收情况见应力-应变图。(C)与其他标准吸能材料料相比，本研究中所用材料的性能。(D)不同CNT浓度下CNT/PA的拉伸性能。
图 7.(A)SpaceX公司研发的 SuperDraco 火箭推进器;(B)NASA制作的3D打印火箭发动机部件(NASA提供);(C)激光烧结燃料喷嘴(GE航空公司提供);(D)ICC雷达安装支架的顶部和底部视图;(E)通过3D打印制作的汽车进气冷却管。
增材制造的碳基纳米复合材料可用于汽车发动机歧管、链环、电机部件、齿轮、车轮、能量吸收结构和骨再生结构等结构应用中。尽管它们减轻了重量、降低了成本、简化生产，但这些部件不适合用于承受极端负荷和温度的高端应用领域。纳米复合材料非常适合生物医学应用，如促进细胞生长和骨再生的骨植入物。
石墨烯和碳纳米管是最常用的碳纳米填料。在某些情况下，CB可以改善原聚合物的相容性。与CB相比，石墨烯衍生物和碳纳米管通常具有更好的性能。从结构应用的角度来看，通过 FDM 和 SLS 工艺制作的部件通常表现出最佳性能。FDM 生产的含有石墨烯衍生物或碳纳米管的PEEK复合材料显示出极高的强度。虽然添加碳纳米填料后机械性能普遍得到改善，但机械性能也会因其他一些参数而降低。因此，很难对纳米填料的加入对机械性能的影响形成一个全面的看法。纳米填料会增加刚度，而断裂伸长率则会降低。纳米填料的添加会导致脆性，这仍然是该领域的一大挑战。微波焊接和退火等后处理步骤可用于克服性能下降的问题。提高性能的最佳纳米填料浓度也有很大差异，虽然极高的纳米填料浓度会降低机械性能，但其范围在0.1-3wt%之间。热稳定性、热膨胀系数和热导率通常也会随着纳米填料的添加而增加。
总之，尽管碳基纳米复合材料确实可用于增材制造结构件，但要使增材制造结构件完全可行，仍需进一步研究。在添加这些纳米填料的同时，可能还需要采用其他技术(如后处理)来提高强度，以获得最佳性能。
