添加碳納米管的吸波材料3D可打印性研究

司煒

（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519000）

1 材料的選擇

1.1 基體樹脂的選擇

立體光固化快速成型（SLA）技術主要是利用液態光敏樹脂的光聚合原理進行工作的，它是3D打印技術的一種[1]。本文將利用該技術對吸波材料進行打印實現，因此，選擇了常見光敏樹脂丙烯酸酯作為基體材料。

1.2 吸波劑的選擇

隱身吸波材料的電磁波吸收特性，主要取決于它的復介電常數和復磁導率。對于基于碳的介電吸波機制的隱身材料，它們的吸收頻帶都比較窄；而對于磁性吸收材料，會受到密度大及Snoek極限的限制[2]，無法在機載系統中廣泛地應用。碳納米管具有與眾不同的電磁效應，可以在較寬的頻段內表現出吸波性能，同時具備高溫條件下抗氧化、輕質、穩定性好、介電性能可調等多重優點[3]。所以，本文選擇碳納米管作為吸波劑。

碳納米管所具備的良好導電性能，使得在將它引入聚合物后，將會形成復雜的導電網絡。它在隱身技術領域具有無限的應用潛力，是新一代最具發展潛力的輕質吸波材料之一。

本文結合3D打印一體成型的優點，對可打印的碳納米管-丙烯酸酯復合材料進行吸波性能的研究，希望得到吸波性能優異且可通過3D打印實現的吸波復合材料。本文研究中所選用的碳納米管由和略利達電源材料有限公司生產。

2 可打印性分析

2.1 透射深度和臨界曝光量

利用SLA技術所打印的物體精度，尤其是z軸的精度，在很大程度上主要由光敏樹脂的內在特性決定。選擇光敏樹脂時，主要考慮2個特性參數：透射深度和臨界曝光量。在實際研究過程中，可以對選定的光敏樹脂進行透射深度和臨界曝光量的測定，從而確保打印過程的順利進行。

本文的重點是研究通過3D打印技術制備的吸波材料的吸波性能，因此在吸波材料基體樹脂已經確定的情況下，不再單獨對不同百分比的碳納米管-丙烯酸酯復合材料進行透射深度和臨界曝光量的計算分析。同時，為了保證所制備的吸波材料只有吸波劑百分比這一個變量，在實驗過程中，不改變紫外光的能量密度和每層切片的厚度。在保持這2個因素不變的情況下，對不同百分比的碳納米管-丙烯酸酯復合材料進行3D打印可打印性的研究分析。

2.2 3D打印可打印性

在本文的研究中，3D打印可打印性是一個很重要的因素，它決定著所需要的吸波結構體能否通過3D打印技術實現。本文所采用的吸波劑是碳納米管，基體樹脂是光敏樹脂丙烯酸酯，當在丙烯酸酯中添加碳納米管時，丙烯酸酯的透射深度將會發生變化，在一定的曝光量（紫外光能量密度）下，固化深度發生變化。當碳納米管的含量超過一定值后，摻雜碳納米管的丙烯酸酯無法發生相變，不能從液態變為固態，也就是不能夠通過3D打印實現。

2.3 實驗方法

為了確定碳納米管-丙烯酸酯復合材料的3D打印可打印性這一極限值，按照下面所述的步驟進行實驗研究。在研究3D打印可打印性的過程中，通過對半徑為1 cm、厚度為1 mm的圓形薄片進行實現，再對所得到的結果進行觀察，根據是否能夠成型及成型是否良好，來判斷3D打印可打印性這一極限值。

研究3D打印可打印性的實驗過程中，需要用到的實驗儀器及設備為電子天平、數顯電動攪拌器、試管、滴管。具體實驗步驟如下：①為節省原材料，實驗中每種配比的吸波材料只需制備10 g。制備一系列質量均為10 g的試樣，根據試樣配比中的百分比計算不同試樣所需的碳納米管和丙烯酸酯的質量，利用電子天平分別稱取，并先后分別置于編號為1～8的試管中，試樣配比為試樣1為0.5%（吸波材料中碳納米管的含量為*%），試樣2為1.0%，試樣3為1.5%，試樣4為2%，試樣5為2.5%，試樣6為3%，試樣7為3.5%，試樣8為4%.②利用電動攪拌器將編號為1～8的試管中的混合物分別充分攪拌均勻，一般需要攪拌5～6 min。③將試樣1倒入立體光固化快速成型設備的液體槽中，開始打印。待打印完成后，用乙醇清洗打印出的模型，標號為1.④對于試樣2～8，按照步驟③中的方法依次打印實現，并分別標號2～8.⑤觀察得到的標號1～8的圓形薄片能否成型及成型情況。⑥為排除實驗結果的隨機性，對每種試樣均進行4次打印，并觀察4次實現結果的成型情況，綜合判斷此種配比是否成型良好。在上述實驗中，每完成一次試樣攪拌、打印，都要對相關設備進行清洗，確保無殘留物，保證碳納米管含量的精確度。⑦如果試樣x成型不夠完整，則在試樣（x－1）和x對應的百分比之間，以0.1%為步進，配置一系列試樣，重復步驟①～⑥，直到找到較為精確的可打印的復合材料中碳納米管含量的極限值。⑧如果試樣1～8均可成型，則以0.5%為步進，增加試樣中碳納米管的含量，重復步驟①～⑦，直到找到較為精確的可打印的碳納米管含量的極限值。

2.4 實驗結果及分析

以碳納米管作為吸波劑，第一輪實驗（步驟①～⑥）中，通過對打印得到的半徑為1 cm、厚度為1 mm的圓形薄片成型情況進行觀察，發現以下幾種情況：①碳納米管百分比為0.5%～2.0%的試樣均能夠成型，其中，百分比為0.5%～1.5%的試樣4次打印均能夠得到完整、均勻的圓形薄片；百分比為2.0%的試樣4次打印中僅有1次得到了不完全完整的圓形薄片，其余3次均沒有成型，成型不穩定。②碳納米管百分比為2.5%的試樣4次打印均不能夠得到完整、均勻的圓形薄片，已超過3D打印可打印性的極限值，即無法成型。③本文所配置的吸波材料的3D打印可打印性極限值在1.5%～2.0%（*%表示吸波材料中碳納米管的含量）之間。

第二輪實驗（步驟⑦～⑧）中，通過對打印得到的半徑為1 cm、厚度為1 mm的圓形薄片成型情況進行觀察，發現碳納米管百分比為1.5%～1.7%的試樣均能夠成型，且其中百分比為1.5%～1.6%的試樣4次打印均能夠得到完整、均勻的圓形薄片，百分比為1.7%的試樣4次打印成型均不夠完整、均勻。由此得到，本文所配置的碳納米管-丙烯酸酯吸波材料的3D打印可打印性極限值為1.6%（*%表示吸波材料中碳納米管的含量）。

參考文獻：

［1］朱靜怡.軟磁材料結構、各向異性及其高頻性質［D］.蘭州：蘭州大學，2011.

［2］周慶祥，肖軍平，汪衛東，等.碳納米管應用研究進展［J］.化工進展，2006，25（7）：750-754.

［3］邱軍，王玉磊.碳納米管在聚合物基吸波復合材料中的應用［J］.玻璃鋼/復合材料，2012（3）：80-84.