特拉華大學Adv. Mater.：碳增材制造新策略！

一、【導讀】

用碳納米級強化材料（如納米粉、納米管和納米片）制備的納米復合材料，使得宏觀材料也能具有納米級機械和功能特性，這在材料設計和應用方面產生了前所未有的影響。控制宏觀尺度復合材料中納米級構件的不均勻性的能力允許在復合材料制造過程中可控地產生中尺度特征，代表了新材料開發的一個有前途的領域。然而，傳統的復合材料制備方法如原位納米材料合成和組裝、膠體自組裝和場輔助（電場和磁場）組裝等無法制備具有高顆粒負荷的納米復合材料和具有多尺度定制能力的納米復合材料。近年來，增材制造（AM）和三維（3D）打印方法為構建具有可編程和空間控制的中尺度結構的宏觀聚合物納米復合材料提供了機會。

?二、【成果掠影】

近日，美國特拉華大學Kun (Kelvin) Fu助理教授團隊報告了一種復合結構中尺度工藝（CAMP）策略，該策略將顆粒負載的納米級材料與多尺度特征相結合，包括納米級操縱、中尺度結構和宏觀尺度形成，以創造具有高顆粒負載和多尺度可定制性的空間編程納米復合材料。該工藝具有低容量（<10%）的“綠色-棕色”轉換，使3D設計的幾何復制品接近于“棕色”部分，并帶有完整的納米材料，以便進一步填充基質。本研究演示包括含有碳納米管（CNTs）和熱固性環氧樹脂的添加劑制造的碳納米復合材料，導致多尺度CNTs的可定制性、性能改進和3D復雜結構的可行性。該工藝可以產生具有3D結構和多尺度特征的納米材料組裝結構，并可以結合常見的基體材料，如聚合物、金屬和陶瓷，為新設備結構和應用制造納米復合材料。相關研究成果以“Carbon Additive Manufacturing with a Near-replica “green-to-brown” Transformation”為題發表在國際知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

本文報告了一種復合結構中尺度工藝（CAMP）策略，不僅可用于碳納米材料的可擴展組裝策略，還可以通過將基體成分（熱固性材料、金屬和陶瓷）納入結構和功能材料的設計和應用，來提高混合材料的機械性能。

?四、【數據概覽】

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圖1? CAMP策略制造具有空間中尺度可定制性的3D熱固性納米復合材料的? 2023 Wiley

（a）納米復合材料制造工藝示意圖。

（b）增材制造的汽車底盤的示意圖和照片圖像。

（c）CAMP制造的納米復合材料與具有代表性的碳納米復合材料、碳纖維復合材料的抗壓強度和顆粒載荷對比。

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圖2 ?“綠色”部件的三維制造和熱機械穩定性以及計算建模 ? 2023 Wiley

（a）“綠色”部件的增材制造示意圖。

（b）3D打印過程的照片。

（c）3D打印的3D CNTs/PLA復合材料的照片。

（d）打印樣品的SEM圖像。

（e）打印的PLA和CNTs/PLA樣品的DMA存儲。

（f）打印的CNTs/PLA在空氣中加熱時的結構穩定性。

（g）PLA和30wt.% CNTs/PLA在320℃模擬重力載荷下的形變。

（h）聚乳酸鏈包裹CNT的MD快照。

（i-j）PLA以及30wt.% CNTs/PLA的密度與溫度間的關系。

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圖3? 全CNT“棕色”部件的制造、表征和演示 ? 2023 Wiley

（a）通過聚合物解聚和碳化制造“棕色”部件的示意圖。

（b）立方體結構的“綠色”和“棕色”態的照片圖像。

（c）分別含有0 wt.%、10 wt.%、20 wt.%和30 wt.%的CNTs/PLA樣品的體積收縮率。

（d）多尺度全CNTs三維架構的長度尺度分解。

（e）具有可定制CNTs取向的結構的SEM圖像。

（f）采用垂直和水平3D打印制備的全CNTs結構的照片圖像和XRD。

（g）碳化前后20wt.% CNTs/PLA的熱導率。

（h）通過CAMP策略制造的3D全CNTs部件的照片。

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圖4? 三維納米復合材料的制造、表征和演示 ? 2023 Wiley

（a）通過真空輔助樹脂轉移制備納米復合材料的示意圖。

（b）CNTs/環氧樹脂納米復合材料的表面和內部形態的SEM圖像。

（c）純環氧樹脂和CNTs/環氧樹脂納米復合材料在N₂中的TGA曲線。

（d）納米復合材料的耐壓強度和模量。

（e）用CNTs/環氧樹脂制作的蜂窩狀結構的照片。

（f）蜂窩結構支撐汽車重量的照片，其結構在大負荷后仍保持完整。

（g）雷達圖顯示了CAMP技術的特殊功能，這是現有的AM技術和傳統方法無法實現的。

（h）由3D CNTs結構制成的3D CNTs/Au納米復合材料的照片。

?五、【成果啟示】

本研究展示了一種3D納米復合材料形成技術—CMAP，該技術可制備高負載的納米級材料，并與多尺度特征相結合，包括納米級操作、中尺度結構和宏觀尺度形成，以實現空間編程的復合材料設計。實驗結果表明，通過制造多孔、完整的CNTs架構，可以實現大規模的增材制造碳納米復合材料。這是通過低容量收縮的“綠色-棕色”狀態轉變來實現的，然后將熱固性環氧樹脂滲透到CNT的孔中，以產生多尺度特征、顯著的機械性能改善和3D幾何形狀的形成。這項工作不僅揭示了碳納米材料的可擴展組裝策略，而且還提出了一個全新的概念，即通過將基體組分（熱固性材料、金屬和陶瓷）用于結構和功能材料的設計和應用，以提高混合材料的機械性能。

原文詳情：Carbon Additive Manufacturing with a Near-replica “green-to-brown” Transformation (Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202208230)

本文由大兵哥供稿。