3D打印/FDM工藝制備導(dǎo)熱MWCNT/PLA納米復(fù)合材料

來源：熱設(shè)計(jì)

由于高密度功率傳輸、架構(gòu)復(fù)雜性、小型化、功能化和新技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，散熱成為了高性能計(jì)算和電子設(shè)備的發(fā)展瓶頸。因此，開發(fā)創(chuàng)新的高導(dǎo)熱材料來解決這一問題具有重要意義，常見的導(dǎo)熱填料如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、金屬顆粒、碳納米管(CNTs)、石墨烯等，已被廣泛用于制備聚合物復(fù)合材料，以達(dá)到期望的性能。

其中，碳納米管相對于金屬納米填料具有更大的縱橫比和靈活性，可以更好地融入聚合物基體中，以滿足熱管理要求。多壁碳納米管(MWCNT)的導(dǎo)熱系數(shù)為2586 ~ 3075 W/(mK) 。然而，在先前的研究中，在聚合物復(fù)合材料中加入碳納米管對熱傳導(dǎo)或傳熱能力的增強(qiáng)作用有限。因此，開發(fā)一種能夠使得碳納米管在聲子傳輸?shù)臐撏ǖ赖氖走x方向上有序排列，以及調(diào)整在復(fù)合材料中所需的填充位置，這對于實(shí)現(xiàn)快速熱傳導(dǎo)的迫切需求是必不可少的。

3D打印，也被稱為增材制造，是一種從3D模型數(shù)據(jù)一層一層地將材料連接起來制造物體的過程。其中直接墨水直寫(DIW)和熔融層積成型(FDM)正在成為制造聚合物納米復(fù)合材料最成功和最廣泛使用的工藝。其中FDM方法是一種簡單的方法，可以制造幾何復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，并可編程宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。3D打印的高縱橫比材料可以賦予打印結(jié)構(gòu)特殊的多功能，包括在電氣和熱管理、能量收集、能量存儲(chǔ)和傳感等應(yīng)用中所需要的功能。

3D打印和碳納米管的結(jié)合可以為分層排列的結(jié)構(gòu)編程提供無限的可能性。為了獲得高導(dǎo)熱性的聚合物納米復(fù)合材料，最需要的是在聚合物基體中加入大量的填料，并控制填料的取向和位置。3D打印能夠?qū)⑻盍戏植荚趶?fù)合材料中具有所需方向的特定位置，有助于形成導(dǎo)熱路徑，并在首選方向上提高導(dǎo)熱性。

成果掠影

近期，美國特拉華大學(xué)材料科學(xué)與工程系的倪超英教授在通過3D打印的方法驗(yàn)證了該工藝對聚合物導(dǎo)熱性能的影響。該團(tuán)隊(duì)利用3D打印方法制備了MWCNTt填充的聚乳酸(PLA)納米復(fù)合材料。在打印過程中，由于MWCNT/PLA復(fù)合長絲與噴嘴壁面之間的剪切力，MWCNTs沿打印方向自發(fā)形成對齊結(jié)構(gòu)。XRD結(jié)果證實(shí)了MWCNTs的對準(zhǔn)性。對齊的高填料加載不僅顯著促進(jìn)傳熱，而且有助于保持加熱時(shí)結(jié)構(gòu)的完整性。垂直排列的20 wt % MWCNT/PLA納米復(fù)合材料在35℃時(shí)的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為0.575 W/(mK)，約為水平排列結(jié)構(gòu)(~ 0.218 W/(mK))的2.64倍，在相同溫度下約為純PLA (0.098 W/(mK))的5.87倍。在散熱器上進(jìn)行的紅外熱成像驗(yàn)證了納米復(fù)合材料與基體聚合物相比的優(yōu)越性能。在這項(xiàng)研究中，我們實(shí)現(xiàn)了MWCNT/PLA的增材制造，同時(shí)具有高填充率和顯著的導(dǎo)熱性改善。這項(xiàng)工作為開發(fā)用于熱管理相關(guān)應(yīng)用(如散熱器或熱輻射器)的3D打印碳填料增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料提出了新思路。研究成果以“Thermally Conductive 3D-Printed Carbon-Nanotube-Filled Polymer Nanocomposites for Scalable Thermal Management ”為題發(fā)表于《ACS Applied Nano Materials》。

圖1.MWCNT/PLA納米復(fù)合材料FDM工藝制備流程圖。

圖2.MWCNT/PLA納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、粘度變化、存儲(chǔ)模量和損失模量的示意圖。

圖3.MWCNT/PLA納米復(fù)合材料的光學(xué)結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)、XRD示意圖。

圖4.MWCNT/PLA納米復(fù)合材料的TGA、熱導(dǎo)率和熱管理性能示意圖。

來源：ACS Applied Nano Materials
原文：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c02067