添加碳纳米管的吸波材料3D可打印性研究

司炜

（北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519000）

1 材料的选择

1.1 基体树脂的选择

立体光固化快速成型（SLA）技术主要是利用液态光敏树脂的光聚合原理进行工作的，它是3D打印技术的一种[1]。本文将利用该技术对吸波材料进行打印实现，因此，选择了常见光敏树脂丙烯酸酯作为基体材料。

1.2 吸波剂的选择

隐身吸波材料的电磁波吸收特性，主要取决于它的复介电常数和复磁导率。对于基于碳的介电吸波机制的隐身材料，它们的吸收频带都比较窄；而对于磁性吸收材料，会受到密度大及Snoek极限的限制[2]，无法在机载系统中广泛地应用。碳纳米管具有与众不同的电磁效应，可以在较宽的频段内表现出吸波性能，同时具备高温条件下抗氧化、轻质、稳定性好、介电性能可调等多重优点[3]。所以，本文选择碳纳米管作为吸波剂。

碳纳米管所具备的良好导电性能，使得在将它引入聚合物后，将会形成复杂的导电网络。它在隐身技术领域具有无限的应用潜力，是新一代最具发展潜力的轻质吸波材料之一。

本文结合3D打印一体成型的优点，对可打印的碳纳米管-丙烯酸酯复合材料进行吸波性能的研究，希望得到吸波性能优异且可通过3D打印实现的吸波复合材料。本文研究中所选用的碳纳米管由和略利达电源材料有限公司生产。

2 可打印性分析

2.1 透射深度和临界曝光量

利用SLA技术所打印的物体精度，尤其是z轴的精度，在很大程度上主要由光敏树脂的内在特性决定。选择光敏树脂时，主要考虑2个特性参数：透射深度和临界曝光量。在实际研究过程中，可以对选定的光敏树脂进行透射深度和临界曝光量的测定，从而确保打印过程的顺利进行。

本文的重点是研究通过3D打印技术制备的吸波材料的吸波性能，因此在吸波材料基体树脂已经确定的情况下，不再单独对不同百分比的碳纳米管-丙烯酸酯复合材料进行透射深度和临界曝光量的计算分析。同时，为了保证所制备的吸波材料只有吸波剂百分比这一个变量，在实验过程中，不改变紫外光的能量密度和每层切片的厚度。在保持这2个因素不变的情况下，对不同百分比的碳纳米管-丙烯酸酯复合材料进行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打印可打印性是一个很重要的因素，它决定着所需要的吸波结构体能否通过3D打印技术实现。本文所采用的吸波剂是碳纳米管，基体树脂是光敏树脂丙烯酸酯，当在丙烯酸酯中添加碳纳米管时，丙烯酸酯的透射深度将会发生变化，在一定的曝光量（紫外光能量密度）下，固化深度发生变化。当碳纳米管的含量超过一定值后，掺杂碳纳米管的丙烯酸酯无法发生相变，不能从液态变为固态，也就是不能够通过3D打印实现。

2.3 实验方法

为了确定碳纳米管-丙烯酸酯复合材料的3D打印可打印性这一极限值，按照下面所述的步骤进行实验研究。在研究3D打印可打印性的过程中，通过对半径为1 cm、厚度为1 mm的圆形薄片进行实现，再对所得到的结果进行观察，根据是否能够成型及成型是否良好，来判断3D打印可打印性这一极限值。

研究3D打印可打印性的实验过程中，需要用到的实验仪器及设备为电子天平、数显电动搅拌器、试管、滴管。具体实验步骤如下：①为节省原材料，实验中每种配比的吸波材料只需制备10 g。制备一系列质量均为10 g的试样，根据试样配比中的百分比计算不同试样所需的碳纳米管和丙烯酸酯的质量，利用电子天平分别称取，并先后分别置于编号为1～8的试管中，试样配比为试样1为0.5%（吸波材料中碳纳米管的含量为*%），试样2为1.0%，试样3为1.5%，试样4为2%，试样5为2.5%，试样6为3%，试样7为3.5%，试样8为4%.②利用电动搅拌器将编号为1～8的试管中的混合物分别充分搅拌均匀，一般需要搅拌5～6 min。③将试样1倒入立体光固化快速成型设备的液体槽中，开始打印。待打印完成后，用乙醇清洗打印出的模型，标号为1.④对于试样2～8，按照步骤③中的方法依次打印实现，并分别标号2～8.⑤观察得到的标号1～8的圆形薄片能否成型及成型情况。⑥为排除实验结果的随机性，对每种试样均进行4次打印，并观察4次实现结果的成型情况，综合判断此种配比是否成型良好。在上述实验中，每完成一次试样搅拌、打印，都要对相关设备进行清洗，确保无残留物，保证碳纳米管含量的精确度。⑦如果试样x成型不够完整，则在试样（x－1）和x对应的百分比之间，以0.1%为步进，配置一系列试样，重复步骤①～⑥，直到找到较为精确的可打印的复合材料中碳纳米管含量的极限值。⑧如果试样1～8均可成型，则以0.5%为步进，增加试样中碳纳米管的含量，重复步骤①～⑦，直到找到较为精确的可打印的碳纳米管含量的极限值。

2.4 实验结果及分析

以碳纳米管作为吸波剂，第一轮实验（步骤①～⑥）中，通过对打印得到的半径为1 cm、厚度为1 mm的圆形薄片成型情况进行观察，发现以下几种情况：①碳纳米管百分比为0.5%～2.0%的试样均能够成型，其中，百分比为0.5%～1.5%的试样4次打印均能够得到完整、均匀的圆形薄片；百分比为2.0%的试样4次打印中仅有1次得到了不完全完整的圆形薄片，其余3次均没有成型，成型不稳定。②碳纳米管百分比为2.5%的试样4次打印均不能够得到完整、均匀的圆形薄片，已超过3D打印可打印性的极限值，即无法成型。③本文所配置的吸波材料的3D打印可打印性极限值在1.5%～2.0%（*%表示吸波材料中碳纳米管的含量）之间。

第二轮实验（步骤⑦～⑧）中，通过对打印得到的半径为1 cm、厚度为1 mm的圆形薄片成型情况进行观察，发现碳纳米管百分比为1.5%～1.7%的试样均能够成型，且其中百分比为1.5%～1.6%的试样4次打印均能够得到完整、均匀的圆形薄片，百分比为1.7%的试样4次打印成型均不够完整、均匀。由此得到，本文所配置的碳纳米管-丙烯酸酯吸波材料的3D打印可打印性极限值为1.6%（*%表示吸波材料中碳纳米管的含量）。

参考文献：

［1］朱静怡.软磁材料结构、各向异性及其高频性质［D］.兰州：兰州大学，2011.

［2］周庆祥，肖军平，汪卫东，等.碳纳米管应用研究进展［J］.化工进展，2006，25（7）：750-754.

［3］邱军，王玉磊.碳纳米管在聚合物基吸波复合材料中的应用［J］.玻璃钢/复合材料，2012（3）：80-84.