3D打印納米墨水打破瓶頸，推動行業(yè)邊界

來源：中國科學(xué)報

美國密歇根理工大學(xué)的機械工程研究人員發(fā)明了利用碳納米管（CNTs）制作3D打印納米復(fù)合聚合物墨水的方法。碳納米管以其高拉伸強度和輕度而聞名，這種革命性的墨水可以取代環(huán)氧樹脂。

這種新型的可3D打印的聚合物納米復(fù)合墨水具有令人難以置信的性能，并在航空航天、醫(yī)藥和電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3D打印過程及“狗骨形”納米復(fù)合材料拉伸試驗樣品。圖片來源：第一作者Masoud Kasraie

3D打印，也被稱為增材制造，比鑄造更加通用和高效。它可以在復(fù)雜的幾何形狀中精確添加一種材料，大大減少多余的切割。添加低維納米材料，如碳納米管、石墨烯、金屬納米粒子和量子點，可以使3D打印材料適應(yīng)外部刺激，使其具有電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、磁性和電化學(xué)存儲等特性。

使用塑料、金屬或其他材料的3D打印并不新鮮�？萍既藛T所做的不同之處是使用聚合物納米復(fù)合材料（由環(huán)氧樹脂、碳納米管和納米黏土制成）和不犧牲功能的打印過程。在聚合物納米復(fù)合墨水中，材料類型與形態(tài)（尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)）的結(jié)合就是形式與功能的最終結(jié)合。

研究材料、力學(xué)和醫(yī)學(xué)界面的工程師Parisa Pour Shahid SaeedAbadi和研究生Masoud kasrae最近在《增材制造》雜志上發(fā)表了一篇文章，探討聚合物油墨的工藝、形態(tài)和性能。

作者指出，在研究人員能夠使用聚合物油墨沖刺參加比賽之前，他們必須首先學(xué)會走路。第一步是深入研究宏觀尺度（人眼如何看到一種材料的性能）和納米尺度（人眼看不到但知道正在發(fā)生的事情）的交集。

Abadi指出，雖然聚合物納米復(fù)合材料和3D打印產(chǎn)品和服務(wù)都有10億美元的市場價值，但納米材料3D打印的市場價值只有大約4300萬美元。

等離子體刻蝕聚合物后，電子顯微鏡顯示納米材料在3D打印方向上的排列。圖片來源：Masoud Kasraie

“現(xiàn)實世界中3D打印和納米材料的應(yīng)用與納米材料3D打印之間的差距需要縮小�！盇badi說，“目前差距的存在是由于在3D打印過程中缺乏對納米復(fù)合材料性能的控制，因為我們沒有完全理解過程-形態(tài)-性能的關(guān)系。”

這一瓶頸在于理解3D打印過程的宏觀力學(xué)與納米復(fù)合材料的納米力學(xué)和物理之間的復(fù)雜相互作用。Abadi等試圖通過探索納米復(fù)合打印油墨中3D打印工藝參數(shù)和納米材料形態(tài)之間的關(guān)系來緩解這一瓶頸，這是最重要的一塊拼圖。

作者表示，這種材料超越了納米復(fù)合墨水的科學(xué)范疇，有著巨大的前景，因為它有許多功能。3D打印的一個優(yōu)勢是幾乎可以完全控制最終產(chǎn)品的形狀。

新納米材料墨水的導(dǎo)電性是可以使打印的環(huán)氧樹脂有可能同時用作電線——無論是在電路板、飛機機翼上，還是在用于引導(dǎo)血管導(dǎo)管的3D打印驅(qū)動器上。納米復(fù)合聚合物油墨的另一個有用特性是它的強度�！芭c鋼和鋁相比，我們發(fā)現(xiàn)相同強度的環(huán)氧復(fù)合材料可以減輕80%的重量�！眐asrae說。

此外，在醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天和電子行業(yè)，缺陷和損壞可能帶來大麻煩，納米復(fù)合材料則可以發(fā)揮安全功能�！爱�(dāng)某樣?xùn)|西斷裂時，一個微小的裂縫從一個微小的缺陷開始，一直發(fā)展到破壞整個結(jié)構(gòu)。”Abadi說，“納米復(fù)合材料可以在這些裂縫中架起橋梁，而不會讓裂縫擴大。這是碳納米管提高材料機械強度的機制之一。”

未來，聚合物納米復(fù)合油墨有望取代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂。作者表示，性能、重量比、導(dǎo)電性、強度的提高和易用性只是其中的幾個原因。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102098