基于碳纳米管复合材料的3D打印技术研究

陈 磊

基于碳纳米管复合材料的3D打印技术研究

陈 磊

（盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000）

现代技术的发展与相关材料的运用无法分离。随着社会经济的发展，复合材料也得到快速的发展，促进了复合材料的大范围运用，也为3D打印技术的升级提供基础的资源。现阶段，不同复合技术的出现，刺激社会经济的进一步发展，这其中就包含了3D打印技术、激光固化成型技术、3D打印成型工艺技术、电子束固化成型技术。以碳纳米管复合材料为基础，加强3D打印技术研究，使得复合材料运用范围更加广阔。本文重点分析了碳纳米管复合材料、3D打印技术、3D打印技术未来发展的方向。

碳纳米管； 复合材料； 3D打印技术

3D打印技术的出现，让多种行业发生了巨大改变，提升了行业发展速度，刺激了社会经济的进步。随着3D打印技术的发展与升级，其已经发展成为了不同类型的打印技术。对碳纳米管复合材料的3D打印技术的研究已经初见成效，还应不断研究与改进。本文针对碳纳米管复合材料、3D打印技术及发展前景、基于碳纳米管复合材料的3D打印技术研究等进行了简单概述。

1 碳纳米管复合材料

复合材料中，聚合物的复合材料比较常见，通常碳材料可以分为炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，与其他物质相比，碳纤维增强树脂基复合材料研究比较广泛。而炭黑、碳纳米管、石墨烯等中间，碳纳米管作用较多，其具有一定的导电性以及导热性能。碳纳米管是碳柱，可以将高阶间相聚合物层进行诱导，进而形成一种能力。目前，运用3D打印技术进行碳纳米管复合材料的制备已经成为多数研究人员研究的重点[1]。

2 3D打印技术

3D打印技术是新时代产生的一种用于对于复杂组件进行科学制造的技术，其工作原理是通过计算机软件对于设计进行辅助，之后使用材料成型设备逐渐进行叠加，进而制造出计算机导入模型与结构相同的实体。近些年来，3D打印技术已经被认为是制造业发生的一次技术的巨大变革，其材料利用概率比较高，并且成本低，根本不需要传统机床、刀具、模具等的应用，就可以在短时间精确地将三维模型直接转化成为实体，其应用范围相对比较广泛，但是应用最多的就是生物组织工程、车辆制造业、航空与航天、工程复合材料、电子器件、储能等方面[2]。

3D打印技术依据制造塑性工艺的关键点，可以分为光固化立体成型、熔融沉积造型、紫外辅助3D打印成型、数字光处理成型、液体沉积造型、溶剂浇铸成型、选择性激光烧结等。虽然不同3D打印技术的成型工艺的技术核心各有千秋，但是在成型中运用到的材料都是陶瓷、金属、聚合物以及复合材料。在这些中，聚合物的复合材料的种类比较多，并且其成本较低，强度、导电以及可操作性很强，其已经备受很多企业或是厂家的关注。

3 3D打印技术发展的前景

3D打印技术发展与材料研制密不可分。从碳纳米管复合材料研究中，可以对基质材料、复合材料填充物进行研发，进而研究出与打印设备匹配的材料。材料研制应考量的因素还包括打印性能、功能化，并及时的将打印中产生喷嘴堵塞的问题及时解决，将打印设备的性能最大限度提升，这也是打印技术发展的一个关键因素[3]。3D打印技术从出现到现在已经获得巨大的发展，关于3D打印技术的产品已经开始涌向世界各地，普及不同行业以及领域，但是3D打印技术直到目前依然不是很成熟，未来还有一定发展空间，特别是对于复合材料的制备。从原则上来讲，3D打印技术可以通过计算机软件进行设计，并将其打印成模型，模型打印进入打印机的系统，设备可以通过切片上存在的数据将模型直接还原成为实体[4]。由于打印设备存在一定的制约，精度欠缺，其会影响模型或者是实体打印的精确度。如果是结构复杂、精度高的模型，运用3D打印技术进行打印，可能依然无法实现。可见，对3D打印技术的精度进行深入且科学的研究，提升打印设备精度，应该是将来专家需要全力研究的一个目标。

由于3D打印技术集成与智能化，3D打印技术在将来发展过程中，材料表面如果产生毛孔或者是其他缺陷，就可以运用3D打印技术，在其中嵌入一些智能检测的模块，将复合材料上的缺陷进行层层修复。3D打印技术在将来一段时间发展中，可能是以研究与应用为基础，生产方面可能投入相对减少，尤其是具有比较特殊性能的产品，可见在接下来几年里，3D打印技术将可能会形成生产体系，将产品尽可能的产业化，并不断融入人们的生活，加强其推广的速度[5]。

4 基于碳纳米管复合材料的3D打印技术研究

4.1 加强对溶剂浇铸成型技术的研究

3D打印技术是以聚合物溶剂的凝固成型为基础增材制造模式，可以在移动平台上通过机器人对聚合物溶剂进行科学操作，并按照相关程序将模型在平台上进行沉积，主要是利用蒸发溶剂促使沉积样凝固成型。这种以溶液为基础的打印技术，在未来具有一定的发展潜力，其主要优势是精度比较高、简单，便于操作，并且价格比较低廉，在相关材料制备方面也有一定的便利。溶剂浇铸成型在运用3D打印技术的前提下，材料的选择相对也比较灵活，材料调节容易，根本不需要对于填充物进行考量，避免复合材料的熔点发生变化[6]。

溶剂浇铸成型在现阶段也只是处于实验室的研究阶段，还不曾将其运用于市场上，也没有经过专业的推广，让众人知晓有这项技术的存在。但是实验研究成果却比较明显，其优势主要在于对于高填充的粒子含量复合材料的制备。制备打印墨水需要进行相应的溶解、球磨等，将已经得到的碳纳米管复合材料在常温下进行干燥，干燥时间为1天，将经过干燥之后的碳纳米管复合材料在适量的二氯甲烷中进行溶解，进而制备出打印墨水。经过研究人员的相关测试得出，碳纳米管复合材料的浓度是2%，导电性就能到达45 s/m，经过此实验可以对于液体传感器的灵敏度进行进一步的研究[7]。

有研究人员使用球磨的方法，将复合材料中碳纳米管复合材料的含量提高到40%，虽然其力学性能还不是很高，但是制备已经比较顺利。研究人员还需要考量力学性能、导电性以及打印功能的因素。经过实验显示，含有30%的碳纳米管复合材料，其浓度可以达到最佳效果，其导电的性能已经到达 2 350 s/m。在后续研究工作的开展中，研究人员使用相同的方法利用打印技术制备出了具有高导电性能的纳米复合材料，并将其用于对于电磁屏蔽的研究过程中。研究人员经过实验发现，通过对于不同结构复合材料进行制备与打印，可以最大限度地提升复合材料的导电性能[8]。

4.2 重视对光固化立体成型技术的研究

由于3D打印技术以成型方式不同，可以将其分为光固化3D打印、熔融材料3D打印、黏结材料3D打印，这这几者之间，光固化3D打印技术将熔融材料3D打印、黏结材料3D打印的优点集于一身，是最早开始实用的技术之一，其成型的精度比较高，打印速度较快，原理是运用紫外光照射液态光聚物进而成型，运用材料是液态光敏树脂，其成分是小分子活性单体、光引发剂、光敏树脂预聚物。

现在光固化立体成型应用比较广泛，但是光固化立体成型依然存在在部分欠缺，例如组件的力学性能不如压模等传统制备模式。因此，部分研究人员已经对于3D打印技术组件电气与力学性能进行科学研究。在研究中，将碳纳米管复合材料分散性能进行进一步改进，并积极研究碳纳米管复合材料在热固化之后的处理模式，将这两者进行结合，可以将光固化组件力学的性能明显提升，保障其力学性能的整体性增强，本次研究发现其拉伸强度为48 MPa，杨氏模量是885 MPa，研究的力学性能已经显著达到注塑组件基准的性能。伸长率虽然比注塑零件的数值低，对于热固性材料也是可以接受的。通过对于光固化立体成型技术的科学分析，可以了解到3D打印技术的优势是成型精度比较高、质量高、固化比较快。从目前研究来看，功能性以及智能材料研究已经明显增多。研究发现，光固化技术后期处理程序比较麻烦，加上一些材料研发的问题，可见3D打印技术光固化技术在对于复合材料制备的过程中依然还需要很大的改进。

5 结束语

3D打印技术是新时代的一项技术，其具有较大的意义，3D打印技术材料制造工艺与传统工艺技术比较，其利用率明显提升，也不需要运用模型。在3D打印技术运用碳纳米管复合材料，可以保障打印技术的充分应用。但是由于3D打印技术依然存在一些欠缺，引起多数专家的关注与重视，通过对3D打印技术的研究，进一步预测其在未来的发展趋势以及发展前景，促进3D打印技术的快速发展。

［1］林志丹，贺子芹，曹琳，等. 一种3D打印导线用导电ABS/PLA复合材料及其制备方法和应用：中国，CN201510411122.4 [P]. 2015- 07- 14.

［2］张正义，陈英红，戚方伟，等. 固相剪切碾磨制备尼龙12/多壁碳纳米管复合粉体及选择性激光烧结3D打印[J]. 高分子材料科学与工程，2016，31（3）：89-91.

［3］王艳，范泽文，赵建，等. 3D打印制备碳纳米管/环氧树脂电磁屏蔽复合材料[J]. 复合材料学报，2018，36（1）：7-12.

［4］诸葛祥群，岑发源，成天耀，等. MWNTs/ABS导电3D打印复合耗材的制备与性能[J]. 塑料，2016（2）：68-72.

［5］林志丹，张光正，邓淑玲，等. 一种3D打印用导电ABS/PC复合材料及其制备方法和应用：中国，CN201510411123.9 [P].2015-11- 11.

［6］刘丰丰，杨卫民，王成硕，等. 熔融微分3D打印制造MWCNTs/PLA可导电功能性制品[J]. 塑料，2016，21（6）：1-4.

［7］诸葛祥群. 基于3D打印的导电复合材料基板制备及在铜电解精炼中的应用[D]. 桂林：桂林理工大学，2017.

［8］陈宁，夏和生，张杰，等. 聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的研究[J]. 高分子通报，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

陈磊（1985-），女，讲师，硕士研究生，辽宁省葫芦岛市人，2011年毕业于沈阳化工大学高分子化学与物理专业，研究方向：聚合物加工生产技术。

TQ050.4+3

A

1004-0935（2020）04-0390-03