特拉华大学Adv. Mater.：碳增材制造新策略！

一、【导读】

用碳纳米级强化材料（如纳米粉、纳米管和纳米片）制备的纳米复合材料，使得宏观材料也能具有纳米级机械和功能特性，这在材料设计和应用方面产生了前所未有的影响。控制宏观尺度复合材料中纳米级构件的不均匀性的能力允许在复合材料制造过程中可控地产生中尺度特征，代表了新材料开发的一个有前途的领域。然而，传统的复合材料制备方法如原位纳米材料合成和组装、胶体自组装和场辅助（电场和磁场）组装等无法制备具有高颗粒负荷的纳米复合材料和具有多尺度定制能力的纳米复合材料。近年来，增材制造（AM）和三维（3D）打印方法为构建具有可编程和空间控制的中尺度结构的宏观聚合物纳米复合材料提供了机会。

 二、【成果掠影】

近日，美国特拉华大学Kun (Kelvin) Fu助理教授团队报告了一种复合结构中尺度工艺（CAMP）策略，该策略将颗粒负载的纳米级材料与多尺度特征相结合，包括纳米级操纵、中尺度结构和宏观尺度形成，以创造具有高颗粒负载和多尺度可定制性的空间编程纳米复合材料。该工艺具有低容量（<10%）的“绿色-棕色”转换，使3D设计的几何复制品接近于“棕色”部分，并带有完整的纳米材料，以便进一步填充基质。本研究演示包括含有碳纳米管（CNTs）和热固性环氧树脂的添加剂制造的碳纳米复合材料，导致多尺度CNTs的可定制性、性能改进和3D复杂结构的可行性。该工艺可以产生具有3D结构和多尺度特征的纳米材料组装结构，并可以结合常见的基体材料，如聚合物、金属和陶瓷，为新设备结构和应用制造纳米复合材料。相关研究成果以“Carbon Additive Manufacturing with a Near-replica “green-to-brown” Transformation”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心创新点】

本文报告了一种复合结构中尺度工艺（CAMP）策略，不仅可用于碳纳米材料的可扩展组装策略，还可以通过将基体成分（热固性材料、金属和陶瓷）纳入结构和功能材料的设计和应用，来提高混合材料的机械性能。

 四、【数据概览】

图1  CAMP策略制造具有空间中尺度可定制性的3D热固性纳米复合材料的© 2023 Wiley

（a）纳米复合材料制造工艺示意图。

（b）增材制造的汽车底盘的示意图和照片图像。

（c）CAMP制造的纳米复合材料与具有代表性的碳纳米复合材料、碳纤维复合材料的抗压强度和颗粒载荷对比。

图2  “绿色”部件的三维制造和热机械稳定性以及计算建模 © 2023 Wiley

（a）“绿色”部件的增材制造示意图。

（b）3D打印过程的照片。

（c）3D打印的3D CNTs/PLA复合材料的照片。

（d）打印样品的SEM图像。

（e）打印的PLA和CNTs/PLA样品的DMA存储。

（f）打印的CNTs/PLA在空气中加热时的结构稳定性。

（g）PLA和30wt.% CNTs/PLA在320℃模拟重力载荷下的形变。

（h）聚乳酸链包裹CNT的MD快照。

（i-j）PLA以及30wt.% CNTs/PLA的密度与温度间的关系。

图3  全CNT“棕色”部件的制造、表征和演示 © 2023 Wiley

（a）通过聚合物解聚和碳化制造“棕色”部件的示意图。

（b）立方体结构的“绿色”和“棕色”态的照片图像。

（c）分别含有0 wt.%、10 wt.%、20 wt.%和30 wt.%的CNTs/PLA样品的体积收缩率。

（d）多尺度全CNTs三维架构的长度尺度分解。

（e）具有可定制CNTs取向的结构的SEM图像。

（f）采用垂直和水平3D打印制备的全CNTs结构的照片图像和XRD。

（g）碳化前后20wt.% CNTs/PLA的热导率。

（h）通过CAMP策略制造的3D全CNTs部件的照片。

图4  三维纳米复合材料的制造、表征和演示 © 2023 Wiley

（a）通过真空辅助树脂转移制备纳米复合材料的示意图。

（b）CNTs/环氧树脂纳米复合材料的表面和内部形态的SEM图像。

（c）纯环氧树脂和CNTs/环氧树脂纳米复合材料在N₂中的TGA曲线。

（d）纳米复合材料的耐压强度和模量。

（e）用CNTs/环氧树脂制作的蜂窝状结构的照片。

（f）蜂窝结构支撑汽车重量的照片，其结构在大负荷后仍保持完整。

（g）雷达图显示了CAMP技术的特殊功能，这是现有的AM技术和传统方法无法实现的。

（h）由3D CNTs结构制成的3D CNTs/Au纳米复合材料的照片。

 五、【成果启示】

本研究展示了一种3D纳米复合材料形成技术—CMAP，该技术可制备高负载的纳米级材料，并与多尺度特征相结合，包括纳米级操作、中尺度结构和宏观尺度形成，以实现空间编程的复合材料设计。实验结果表明，通过制造多孔、完整的CNTs架构，可以实现大规模的增材制造碳纳米复合材料。这是通过低容量收缩的“绿色-棕色”状态转变来实现的，然后将热固性环氧树脂渗透到CNT的孔中，以产生多尺度特征、显著的机械性能改善和3D几何形状的形成。这项工作不仅揭示了碳纳米材料的可扩展组装策略，而且还提出了一个全新的概念，即通过将基体组分（热固性材料、金属和陶瓷）用于结构和功能材料的设计和应用，以提高混合材料的机械性能。

原文详情：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。