基于碳納米管復合材料的3D打印技術研究

陳 磊

基于碳納米管復合材料的3D打印技術研究

陳 磊

（盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124000）

現代技術的發展與相關材料的運用無法分離。隨著社會經濟的發展，復合材料也得到快速的發展，促進了復合材料的大范圍運用，也為3D打印技術的升級提供基礎的資源。現階段，不同復合技術的出現，刺激社會經濟的進一步發展，這其中就包含了3D打印技術、激光固化成型技術、3D打印成型工藝技術、電子束固化成型技術。以碳納米管復合材料為基礎，加強3D打印技術研究，使得復合材料運用范圍更加廣闊。本文重點分析了碳納米管復合材料、3D打印技術、3D打印技術未來發展的方向。

碳納米管； 復合材料； 3D打印技術

3D打印技術的出現，讓多種行業發生了巨大改變，提升了行業發展速度，刺激了社會經濟的進步。隨著3D打印技術的發展與升級，其已經發展成為了不同類型的打印技術。對碳納米管復合材料的3D打印技術的研究已經初見成效，還應不斷研究與改進。本文針對碳納米管復合材料、3D打印技術及發展前景、基于碳納米管復合材料的3D打印技術研究等進行了簡單概述。

1 碳納米管復合材料

復合材料中，聚合物的復合材料比較常見，通常碳材料可以分為炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯等，與其他物質相比，碳纖維增強樹脂基復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，其具有一定的導電性以及導熱性能。碳納米管是碳柱，可以將高階間相聚合物層進行誘導，進而形成一種能力。目前，運用3D打印技術進行碳納米管復合材料的制備已經成為多數研究人員研究的重點[1]。

2 3D打印技術

3D打印技術是新時代產生的一種用于對于復雜組件進行科學制造的技術，其工作原理是通過計算機軟件對于設計進行輔助，之后使用材料成型設備逐漸進行疊加，進而制造出計算機導入模型與結構相同的實體。近些年來，3D打印技術已經被認為是制造業發生的一次技術的巨大變革，其材料利用概率比較高，并且成本低，根本不需要傳統機床、刀具、模具等的應用，就可以在短時間精確地將三維模型直接轉化成為實體，其應用范圍相對比較廣泛，但是應用最多的就是生物組織工程、車輛制造業、航空與航天、工程復合材料、電子器件、儲能等方面[2]。

3D打印技術依據制造塑性工藝的關鍵點，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、選擇性激光燒結等。雖然不同3D打印技術的成型工藝的技術核心各有千秋，但是在成型中運用到的材料都是陶瓷、金屬、聚合物以及復合材料。在這些中，聚合物的復合材料的種類比較多，并且其成本較低，強度、導電以及可操作性很強，其已經備受很多企業或是廠家的關注。

3 3D打印技術發展的前景

3D打印技術發展與材料研制密不可分。從碳納米管復合材料研究中，可以對基質材料、復合材料填充物進行研發，進而研究出與打印設備匹配的材料。材料研制應考量的因素還包括打印性能、功能化，并及時的將打印中產生噴嘴堵塞的問題及時解決，將打印設備的性能最大限度提升，這也是打印技術發展的一個關鍵因素[3]。3D打印技術從出現到現在已經獲得巨大的發展，關于3D打印技術的產品已經開始涌向世界各地，普及不同行業以及領域，但是3D打印技術直到目前依然不是很成熟，未來還有一定發展空間，特別是對于復合材料的制備。從原則上來講，3D打印技術可以通過計算機軟件進行設計，并將其打印成模型，模型打印進入打印機的系統，設備可以通過切片上存在的數據將模型直接還原成為實體[4]。由于打印設備存在一定的制約，精度欠缺，其會影響模型或者是實體打印的精確度。如果是結構復雜、精度高的模型，運用3D打印技術進行打印，可能依然無法實現。可見，對3D打印技術的精度進行深入且科學的研究，提升打印設備精度，應該是將來專家需要全力研究的一個目標。

由于3D打印技術集成與智能化，3D打印技術在將來發展過程中，材料表面如果產生毛孔或者是其他缺陷，就可以運用3D打印技術，在其中嵌入一些智能檢測的模塊，將復合材料上的缺陷進行層層修復。3D打印技術在將來一段時間發展中，可能是以研究與應用為基礎，生產方面可能投入相對減少，尤其是具有比較特殊性能的產品，可見在接下來幾年里，3D打印技術將可能會形成生產體系，將產品盡可能的產業化，并不斷融入人們的生活，加強其推廣的速度[5]。

4 基于碳納米管復合材料的3D打印技術研究

4.1 加強對溶劑澆鑄成型技術的研究

3D打印技術是以聚合物溶劑的凝固成型為基礎增材制造模式，可以在移動平臺上通過機器人對聚合物溶劑進行科學操作，并按照相關程序將模型在平臺上進行沉積，主要是利用蒸發溶劑促使沉積樣凝固成型。這種以溶液為基礎的打印技術，在未來具有一定的發展潛力，其主要優勢是精度比較高、簡單，便于操作，并且價格比較低廉，在相關材料制備方面也有一定的便利。溶劑澆鑄成型在運用3D打印技術的前提下，材料的選擇相對也比較靈活，材料調節容易，根本不需要對于填充物進行考量，避免復合材料的熔點發生變化[6]。

溶劑澆鑄成型在現階段也只是處于實驗室的研究階段，還不曾將其運用于市場上，也沒有經過專業的推廣，讓眾人知曉有這項技術的存在。但是實驗研究成果卻比較明顯，其優勢主要在于對于高填充的粒子含量復合材料的制備。制備打印墨水需要進行相應的溶解、球磨等，將已經得到的碳納米管復合材料在常溫下進行干燥，干燥時間為1天，將經過干燥之后的碳納米管復合材料在適量的二氯甲烷中進行溶解，進而制備出打印墨水。經過研究人員的相關測試得出，碳納米管復合材料的濃度是2%，導電性就能到達45 s/m，經過此實驗可以對于液體傳感器的靈敏度進行進一步的研究[7]。

有研究人員使用球磨的方法，將復合材料中碳納米管復合材料的含量提高到40%，雖然其力學性能還不是很高，但是制備已經比較順利。研究人員還需要考量力學性能、導電性以及打印功能的因素。經過實驗顯示，含有30%的碳納米管復合材料，其濃度可以達到最佳效果，其導電的性能已經到達 2 350 s/m。在后續研究工作的開展中，研究人員使用相同的方法利用打印技術制備出了具有高導電性能的納米復合材料，并將其用于對于電磁屏蔽的研究過程中。研究人員經過實驗發現，通過對于不同結構復合材料進行制備與打印，可以最大限度地提升復合材料的導電性能[8]。

4.2 重視對光固化立體成型技術的研究

由于3D打印技術以成型方式不同，可以將其分為光固化3D打印、熔融材料3D打印、黏結材料3D打印，這這幾者之間，光固化3D打印技術將熔融材料3D打印、黏結材料3D打印的優點集于一身，是最早開始實用的技術之一，其成型的精度比較高，打印速度較快，原理是運用紫外光照射液態光聚物進而成型，運用材料是液態光敏樹脂，其成分是小分子活性單體、光引發劑、光敏樹脂預聚物。

現在光固化立體成型應用比較廣泛，但是光固化立體成型依然存在在部分欠缺，例如組件的力學性能不如壓模等傳統制備模式。因此，部分研究人員已經對于3D打印技術組件電氣與力學性能進行科學研究。在研究中，將碳納米管復合材料分散性能進行進一步改進，并積極研究碳納米管復合材料在熱固化之后的處理模式，將這兩者進行結合，可以將光固化組件力學的性能明顯提升，保障其力學性能的整體性增強，本次研究發現其拉伸強度為48 MPa，楊氏模量是885 MPa，研究的力學性能已經顯著達到注塑組件基準的性能。伸長率雖然比注塑零件的數值低，對于熱固性材料也是可以接受的。通過對于光固化立體成型技術的科學分析，可以了解到3D打印技術的優勢是成型精度比較高、質量高、固化比較快。從目前研究來看，功能性以及智能材料研究已經明顯增多。研究發現，光固化技術后期處理程序比較麻煩，加上一些材料研發的問題，可見3D打印技術光固化技術在對于復合材料制備的過程中依然還需要很大的改進。

5 結束語

3D打印技術是新時代的一項技術，其具有較大的意義，3D打印技術材料制造工藝與傳統工藝技術比較，其利用率明顯提升，也不需要運用模型。在3D打印技術運用碳納米管復合材料，可以保障打印技術的充分應用。但是由于3D打印技術依然存在一些欠缺，引起多數專家的關注與重視，通過對3D打印技術的研究，進一步預測其在未來的發展趨勢以及發展前景，促進3D打印技術的快速發展。

［1］林志丹，賀子芹，曹琳，等. 一種3D打印導線用導電ABS/PLA復合材料及其制備方法和應用：中國，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/多壁碳納米管復合粉體及選擇性激光燒結3D打印[J]. 高分子材料科學與工程，2016，31（3）：89-91.

［3］王艷，范澤文，趙建，等. 3D打印制備碳納米管/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料[J]. 復合材料學報，2018，36（1）：7-12.

［4］諸葛祥群，岑發源，成天耀，等. MWNTs/ABS導電3D打印復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打印用導電ABS/PC復合材料及其制備方法和應用：中國，CN201510411123.9 [P].2015-11- 11.

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

［7］諸葛祥群. 基于3D打印的導電復合材料基板制備及在銅電解精煉中的應用[D]. 桂林：桂林理工大學，2017.

［8］陳寧，夏和生，張杰，等. 聚合物基微納米功能復合材料3D打印加工的研究[J]. 高分子通報，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年畢業于沈陽化工大學高分子化學與物理專業，研究方向：聚合物加工生產技術。

TQ050.4+3

A

1004-0935（2020）04-0390-03