DLP 3D打印:碳纳米管增强复合材料的机械和应变感应

3D打印快讯
2020
07/27
15:44
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来源:广西增材制造协会

西班牙的研究人员在最近发表的“ 通过数字光处理3D打印技术对碳纳米管增强复合材料的机械和应变感应能力 ”中详细介绍了他们的研究。尽管有许多关于碳纳米管(CNT)增强复合材料的研究,从改进材料到创建可穿戴设备的传感器,再到电子纺织等等,但在这里,作者对机械性能和应变传感器进行了更为独特的研究, “基于掺有碳纳米管的商用光固化树脂开发具有自感应功能的,用于DLP 3D打印技术的导电油墨”。

作者注意到3D打印在工业界和其他许多应用领域都产生了巨大影响,作者非常准确地指出,“有广阔的改进领域”。复合材料在3D打印领域越来越受欢迎,因为各个级别的用户都可以更好地满足他们对各种研究,项目和更坚固零件制造的需求。

研究人员指出:“尤其是,由于碳纳米管(CNT)的出色的机械、热和电性能,它们在过去几十年中已成为众多研究的主题。”“它们在绝缘树脂中的含量较低,因此可以在材料内部形成电渗流网络,从而使材料的电导率提高几个数量级。”结构健康监测(SHM)是能够从此类材料中受益的主要应用,因为传感器可以检测金属量规中的应变损坏。以前,各种3D打印研究已将CNT用作填充物,以开发具有电性能的部件、弹性应变传感器、屏蔽装置和柔性电子产品。

在这项研究中,研究人员在评估碳纳米管对电导率的影响时改变了碳纳米管。接下来,在作者评估负载状态和后固化处理的影响时,研究了应变传感的潜力。
压延过程中辊之间的间隙距离

甲B9Creator用于3D打印六个样品用于与0.030,0.050,0.075,0.100 CNT含量,和0.150%(重量)的研究。这组作者说:“最相关的印刷参数是层厚度为30 μm,每层曝光时间为5.12 s,但那些具有0.150 wt%CNT的样品的曝光时间增加到6.84 s。”

“这是由于较高的CNT含量引起了由CNT引起的更普遍的UV光屏蔽效果,从而减少了光引发剂的UV辐射暴露,从而导致曝光不足。另一方面,对于CNT含量低于0.100 wt%且UV暴露时间超过5.12 s的样品,观察到过度暴露条件。”研究人员研究了应变对样品应变和机械性能的影响,其中一半样品经过了紫外线后固化处理。

具有0.100 wt%CNT的3D打印部件的示例。(a)拉伸和三点弯曲测试样品,以及(b)复杂几何形状的零件。
由于研究人员考虑了每个样品的固化程度差异,因此也将DSC样品用于“代表性结果”。

DSC测试示例,包括第一次和第二次扫描

研究人员证实,在这种情况下3D打印是有利的,因为纳米颗粒会迅速分散在树脂中。随着时间的延迟,由于纳米颗粒的重新团聚,可能导致更大的性能损失。


进行分散处理后,分散状态的变化与时间的关系以及CNT含量的变化。(a)在分散之后的0、8、21和30小时,进行含有0.100wt%CNT的分散体的TOM显微照片;(b)自分散后,碳纳米管所占的分数面积,平均较大的聚集体尺寸及其对电导率的影响随时间的变化;(c)分散后个体附聚物的大小随时间的变化;(d)分散后0 h的TOM显微照片与CNT含量的关系;(e)分散后0小时的单个团聚体尺寸随CNT含量的变化而变化。

FEG-SEM显微照片显示了在(a)低放大倍率和(b)高放大倍率下0.100 wt%CNT样品的CNTs分布。

评估表明,以较低的电渗漏阈值可以达到合适的CNT分布,并且就机械性能而言,可以提高材料的刚度。“尽管如此,对于最低的CNT含量,也发现了应变敏感性方面的最佳结果,因为它们更接近渗透阈值,隧穿效应是电荷传输的最主要机制。此外,由于受压面对试样整体电阻的影响,三点弯曲试验的应变敏感性比预期的要低得多,这是由于受压面对试样整体电阻的影响。”

“因此,结果证明了CNT增强的DLP制造的纳米复合材料在应变感应应用中的出色功能,并为UV后固化处理和CNT含量如何影响这些材料的机电性能提供了线索。”

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