3D打印碳纳米管增强铜基复合材料的机械行为和微观结构

供稿人：王义凯 高琳 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

近来，中南大学粉末冶金国家重点实验室课题组通过研究碳纳米管(CNTs)增强铜基复合材料的新型油墨配方，解决了目前三维打印材料的部分局限性问题。其所制备的油墨由碳纳米管/铜粉、聚乙二醇/聚乙烯醇缩丁醛和无水乙醇/磷酸三乙酯混合溶剂组成。采用分子水平混合(MLM)、微挤压三维打印(MED-3D)和无压烧结( Pressureless Sintering)工艺制备的三维碳纳米管/铜复合材料（表面孔隙度：6.01%：内部孔隙度：4.45%：烧结温度：1173K），其结构稳定，尺寸精度高，具有出色的机械强度，最大抗压强度为10.65±0.9MPa，比纯Cu高104.9%。此外，他们还对碳纳米管/铜复合材料的表面形貌和力学性能进行了表征，研究了烧结工艺参数对材料力学性能的影响。

通过3D打印制备碳纳米管/铜复合材料的制作方法包括四个主要步骤(如图1): a)用MLM工艺制备CNTs/Cu粉末； b)3D打印浆料制备，即由可溶性聚合物和CNTs/Cu粉末组成的混合物； c)3D打印制备网格结构样品； d)在氢气环境下对3D打印样品进行无压烧结。 在研究过程中，该课题组首先采用分子水平混合(MLM)和微挤压三维打印(MED-3D)技术制备出碳纳米管增强铜基复合材料样品，然后进行了烧结温度的控制与优化，使其内部孔隙率降低。可以发现（如图2），随着烧结温度的升高，碳纳米管/铜复合材料的表面形貌由颗粒状转变为整体分布，提高了复合材料的致密度和强度。且在温度到达1173k时，碳纳米管/铜粉内部产生了大量的相互扩散和金属烧结现象，这也促进了烧结碳纳米管/铜复合材料的致密化。 该研究结果说明，通过优化烧结温度来控制3D打印碳纳米管/铜复合材料的孔隙率和机械强度是可行的；碳纳米管可以通过MED-3D打印技术引入粉末状液体油墨中；该工艺可用于制备具有足够强度的三维打印碳纳米管/铜复合材料。

图1 CNTs/Cu复合材料的制作步骤

图2 （a-b）在1173 K的烧结温度下，SEM图像的表面和纯Cu的横截面；（c/f）3D打印CNT/Cu复合材料表面、横截面和XRD图谱的SEM图 像，烧结温度为1173 K。

参考文献：
Zhao, Q., et al., Mechanical behavior and microstructure of 3D-printed carbon nanotubes-reinforced Cu composite. Diamond and Related Materials, 2021: p. 108651.