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我國研究人員創(chuàng)造3D 打印碳新技術(shù)！零收縮，可回彈！

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-02-04 16:34:43

隨著新工業(yè)時代的來臨，3D打印成為了一種未來材料生產(chǎn)和制造的基礎(chǔ)技術(shù)，具有高資源效率以及與智能系統(tǒng)集成的材料設(shè)計的特點(diǎn)，提供了普通制造技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

近年來3D打印技術(shù)取得了眾多突破性進(jìn)展，然而碳材料作為擁有廣泛應(yīng)用以及巨大潛力的材料種類，他們的3D打印以及相關(guān)技術(shù)商業(yè)化發(fā)展有著巨大的瓶頸和復(fù)雜的挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)樘记膀?qū)體的材料一般比較昂貴，以及碳組件在加工過程中的明顯收縮導(dǎo)致最終產(chǎn)品的尺寸難以控制。這些長期存在的技術(shù)痛點(diǎn)也導(dǎo)致了3D打印多功能碳材料的商業(yè)運(yùn)用和開發(fā)一直很受限。

什么是碳材料

炭材料是主要以煤、石油或它們的加工產(chǎn)物等有機(jī)物質(zhì)作為主要原料經(jīng)過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。金剛石、石墨、咔賓、石墨烯、碳納米管、炭/炭復(fù)合材料都屬于炭材料。

以下是一些常見的碳材料及其應(yīng)用和市場前景：

1. 碳纖維：碳纖維是一種高強(qiáng)度高模量纖維，可用于制造飛機(jī)、汽車、航天器等高性能民用領(lǐng)域。在國防工業(yè)上，也有廣泛的應(yīng)用。全球高性能碳纖維市場由日本東麗占據(jù)主導(dǎo)地位，但未來，隨著我國企業(yè)的崛起，有望削弱日本和歐美等國的壟斷地位。

2. 石墨：石墨是一種層狀結(jié)構(gòu)的碳材料，常用于制造電極、電池等能源領(lǐng)域。此外，石墨在橡膠輪胎、電動機(jī)械等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

3. 金剛石：金剛石是一種透明的晶體材料，具有極高的硬度和耐磨性，常用于制造鉆頭、磨料等工具領(lǐng)域。同時，金剛石也是一種重要的半導(dǎo)體材料，未來有望在電子器件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4. 碳納米管：碳納米管是一種具有高強(qiáng)度、高韌性和高導(dǎo)電性等特性的納米材料，常用于制造電子器件、儲能材料、催化劑等領(lǐng)域。在大絲束碳纖維市場，美國企業(yè)赫克塞爾占據(jù)了全球59%的市場份額，德國企業(yè)西格里占據(jù)了31%的市場份額。

5. 其他碳材料：除了以上幾種主要的碳材料外，還有一些其他種類的碳材料，如炭黑、碳布等，這些材料也在不斷發(fā)展中賦予新的功能。

總體來說，碳材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，市場前景十分廣闊。隨著科技的不斷進(jìn)步和人們對環(huán)境保護(hù)的重視，碳材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓綇V泛，市場前景也將越來越廣闊。

3D 打印碳新技術(shù)！零收縮，可回彈！

最近，南密西西比大學(xué)的強(qiáng)哲教授團(tuán)隊(duì)與天普大學(xué)劉嶺教授團(tuán)隊(duì)合作，成功地利用商用聚丙烯（PP）- 碳纖維（CF）填料作為前體的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)3D打印碳材料。非常值得一提的是，這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用低成本的材料和設(shè)備，卻首次實(shí)現(xiàn)了對碳材料的三維結(jié)構(gòu)，密度，以及力學(xué)性能的全可控。強(qiáng)哲團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過在PP中引入CF可以有效地限制了聚合物前體在轉(zhuǎn)化為碳的過程中的收縮。當(dāng)碳纖維含量達(dá)到15 wt%時，收縮率小于4%。利用這一優(yōu)勢，可以成功制備具有可調(diào)節(jié)材料密度的輕質(zhì)多孔碳材料。此外，通過簡單地改變加工條件，可以獲得不同機(jī)械性能的衍生碳材料。和之前大部分的報道與眾不同的是，這項(xiàng)技術(shù)可以制備彈性碳材料。一般而言，碳材料是高強(qiáng)度高硬度的材料典范，現(xiàn)在通過這項(xiàng)最新工作，彈性碳材料的制備進(jìn)一步豐富了其應(yīng)用領(lǐng)域。

這項(xiàng)研究的制造方法簡單易行，具有巨大的商業(yè)潛力，可用于大規(guī)模3D打印碳的制備和加工。

作者采用熔絲制造（FFF）方法，將含有CF的商用PP纖維進(jìn)行打印，隨后將打印出的樣品在150℃條件下浸泡在濃硫酸中進(jìn)行交聯(lián)。隨后，樣品在氮?dú)猸h(huán)境中800℃下進(jìn)行碳化。最終的碳材料展現(xiàn)出極低的尺寸收縮，實(shí)現(xiàn)了對碳產(chǎn)物宏觀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確控制。

作者還對碳材料的物理性質(zhì)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)后的PP衍生出的碳材料具有多孔結(jié)構(gòu)，通過液氮物理吸附實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。壓縮力學(xué)測試結(jié)果顯示，碳纖維的加入顯著增加了衍生碳的彈性模量和極限強(qiáng)度，并顯示出極高的強(qiáng)度重量比（9600：1）。

重要的是，經(jīng)過碳化后，所有樣品在平面方向（X和Y方向，沿FFF沉積方向）的收縮平均只有2-4%，在垂直于打印方向的平均方向（Z方向）上為4%，遠(yuǎn)低于純凈PP轉(zhuǎn)化成的碳材料以及之前關(guān)于的3D打印高分子轉(zhuǎn)化成碳的文獻(xiàn)報道。這個優(yōu)勢是此技術(shù)的重大亮點(diǎn)之一。

在此基礎(chǔ)上，作者建立了磺化時間與收縮率、孔隙率和機(jī)械性能之間的關(guān)系，并利用模擬對衍生碳材料所特有的彈性即可壓縮性能的來源進(jìn)行了討論，為精準(zhǔn)控制衍生碳性能提供了可能。作者發(fā)現(xiàn)通過降低反應(yīng)時間，碳材料可以表現(xiàn)出低密度高孔隙率的特點(diǎn)。也正是因?yàn)檫@些特性，這些碳變得可壓縮可回彈的“柔性材料”，可以達(dá)到驚人的50%的可回彈形變。通過模擬發(fā)現(xiàn)，材料里面的孔隙度對他們的力學(xué)性能有重大的影響。

這項(xiàng)研究提出了一種具有低成本、尺寸穩(wěn)定性和簡單可擴(kuò)展制造工藝的碳增材3D打印的制造方法，為材料領(lǐng)域帶來了明顯優(yōu)勢，并激發(fā)了未來各個研究方向。該技術(shù)已申請美國專利，相關(guān)團(tuán)隊(duì)已著手于技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_541476.html
來源：賢集網(wǎng)
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