碳纳米管/石墨烯复合材料的熔融沉积制造

目前FDM工艺（熔融沉积制造），虽然已经广泛应用于科研、教育、家庭生活等诸多领域，但是针对FDM打印的功能型原材料还十分有限，这大大限制着FDM的进一步发展。研究表明纳米导电材料复合材料，如碳纳米管(CNT)、石墨烯(G)和金属颗粒等，可用于制造高电导率、高导热率、高机械强度和刚度的多功能性能的物体。研究用于3D打印的纳米材料复合聚合物材料将有利于发挥3D打印的制造优势，快速便捷地制造各种功能型零件。

日前，荷兰艾因霍温科技大学，G. de With教授团队在“Applied Materials Today”上发表文章，讲述了该团队所研制的可用于FDM工艺的碳纳米管和石墨烯复合材料。该材料的制备过程主要为：将碳纳米管和石墨烯分散于异丙醇中，将聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）粉末加入混合溶液超声分散。然后将溶剂异丙醇挥发得到包覆有导电填料的PBT粉末，经室温干燥，将该粉末送入挤出机挤出，从而得到丝材，如图1所示。

图1. (a)挤出的PBT/CNT丝材, (b)3D打印的PBT/CNT单层结构, (c)PBT/CNT单层结构电镜照,（d）挤出的PBT/G丝材, (e)3D打印的PBT/G单层结构, (f)PBT/G单层结构电镜照

随后，研究人员对PBT/CNT复合材料、PBT/G复合材料的电性能、结晶特性、热性能、工艺特性进行了研究。如图2所示，实验结果显示：增加了纳米材料后复合材料的结晶温度上升，但结晶温度与纳米材料含量呈现非正比关系。热重分析表明，在氧化条件下，加入的纳米材料后起始温度和最大降解温度都有所提高，材料的热稳定性提高。动力学分析表明，CNT/PBG复合材料的刚度明显优于GR/PBT。

图2.(a)不同CNT含量和G含量的复合材料的电导率, (b) DSC曲线, (c )储能模量和损耗模量, (d)双喷头挤打印机3D打印的复合材料零件

参考文献
K.Gnanasekaran, T. Heijmans, S. van Bennekom, H. Woldhuis, S. Wijnia, G. de With, H. Friedrich. 3D printing of CNT- and graphene-based conductive polymer nanocomposites by fused deposition modeling. Applied Materials Today 9 (2017) 21–28.
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352940717300586

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室