三维(3D)微结构组合梁是通过纳米复合材料的定向和局部浸润到三维多孔微流体网络的制造。这种制造方法的灵活性使得不同的热固性材料和纳米填料的利用率,从而实现各种功能的3D增强纳米复合材料宏观的产品。
复杂的三维(3D)强化微叠合梁图案的纳米复合材料微丝是通过三维的纳米复合材料浸渗制备微互连网络。钢筋束的制造开始于微流体网络的制造中,其中涉及的溢散墨长丝层 – 层沉积用胶机械手,使用低粘度的树脂填充纤维之间的空的空间中,使树脂固化,最后除去油墨。自我支持与其它几何形状和许多层( 例如,几百层)的三维结构,可以使用这种方法来构建。所得到的管状的微流体网络,然后与含有纳米填料( 例如单壁碳纳米管)热固性纳米复合材料的悬浮液渗透的,并随后固化。渗透是由空的n两端之间施加的压力梯度进行ETWORK(或者通过施加真空或真空辅助显微注射)。之前的渗透,该纳米复合材料的悬浮液是通过使用超声波和三辊混合方法分散成纳米填料的聚合物基质制备。该纳米复合材料( 即渗透材料),然后在UV曝光/热固化固化,产生了三维纤维增强复合结构。这里提出的技术使功能性纳米复合材料宏观产品为微工程应用,例如致动器和传感器的设计。
使用纳米材料,特别是碳纳米管(CNT)掺入到聚合物基质中的聚合物纳米复合材料的功能的多功能特性1对潜在应用,例如结构复合材料2,微机电系统3( 例如微传感器),以及智能聚合物4。可能需要几个处理步骤包括CNT治疗和纳米复合材料的混合方法,以理想地分散碳纳米管成矩阵。由于碳纳米管“的纵横比,它们的分散状态以及表面处理,主要影响的电气和机械性能,该纳米复合材料的处理过程可能取决于为目标程序5所需性质的不同而不同。此外,对于特定的负荷条件下,对准碳纳米管沿期望的方向,并定位所述增强材料在所希望的位置使进一步改善这些机械和/或电性能的缺nocomposites。
如剪切流6-7和电磁场8的几个技术已被用于对准的CNT沿着在聚合物基质中所希望的方向。此外,碳纳米管定向诱导维制约,特别是在一维(1D)和二维(2D),已在加工过程中观察到的/纳米复合材料9-11的形成。然而,仍然需要在制造过程中的新进展,以便有足够的控制三维(3D)方向和/或纳米管强化的定位一个产品的制造为最佳条件中的。
在本文中,我们提出了一个协议,用于通过三维微流体网络与聚合物纳米复合材料的悬浮液( 图1)的定向和局部浸润制造3D增强复合梁。首先,一个三维的制造互连微流体网络被证实,它涉及逃犯墨长丝的环氧基板上直接写入制造12-13( 图2a和2b),其次环氧封装( 图2c)和所述牺牲油墨去除( 图2d)。在直写方法由该移动沿x的流体分配器,y和z轴( 图3)计算机控制的机器人。这种技术提供了一种快速,灵活的方式来制作3D微器件的光子,MEMS和生物技术的应用( 图4)。然后,该纳米复合材料制备方法证实,随着其浸润(或注入)到多孔网络根据不同的受控和恒定的压力来制造三维纤维增强复合材料的多尺度( 图2E和2F)。最后,伴随着它们的潜在应用一些有代表性的结果示。
的实验步骤,这里介绍的是为了一个新的和灵活的制造方法来定制的基于聚合物的材料的机械性能的材料设计的目的。用这种方法,所需性质可以基于组分( 即渗透材料和主基质)的适当选择以及工程的复合结构来实现。首先,该技术使一个单一的材料,不同的热固性聚合物组成的,代表一种独特的温度依赖特性,它是比那些组件的块材15不同的制造。本发明的技术比其它纳米复合材料的制造技术由该纳米填料是通过整个基质中均匀分布的另一个优点是能够在空间上放置的加强件在所需位置中这些三维增强复合光束的能力。由于该定位能力,可能是昂贵的纳米较低量填料是需要获得一个特定的机械性能13。由于加强图案遵循原始直写墨支架,细丝“在一个给定的层间距被限制为约10倍,由于散逸油墨的粘弹性性质的墨长丝直径。另一方面,小的间距可以在环氧树脂封装步骤限制流动的液体环氧树脂。此外,墨长丝的直径应足够大( 例如,大于50微米),用于易于制造( 如挤出高粘度油墨的)和随后的制造步骤中,例如纳米复合材料渗入所述微流体网络。
本发明方法的另一潜在可能会对下剪切流16通过纳米复合材料的浸润以更高的速度/压力校准单个碳纳米管或其它纳米填料在流动方向上的能力,如果该纳米填料是很好在纳米复合材料的混合过程分散在。然而,取向程度高只能在非常高的渗透压力(由于小的通道直径),渗透过程中,可能导致空气截留在网络中的实现。
代表性的光学图像在图6中示出制备在方案2提出了在混合过程(在该图的底部的两个图像)的纳米复合材料。所观察到的暗斑被认为是纳米管的聚集体。对于超声波处理的纳米复合材料中,微米尺寸的聚集体的直径可达〜7μm的存在而聚集体的尺寸的急剧变化(平均为1微米)被观察到的剪切混合纳米复合材料。由于纳米填料分散影响了制造三维的纳米复合梁的机械和电气性能,改进的分散体应该达到采取充分利用楠的三维定位利用本制造技术ofillers。因此,需要进一步的研究,系统地研究碳纳米管的分散状态和使用其他纳米填料,可在环氧树脂基体中更容易被分散。
本制造技术可能使功能性纳米复合材料的3D产品为微工程应用17的设计。该技术不限于在此研究中使用的材料。因此,该技术的应用可以通过其它热固性材料和纳米填料的使用可以延长。在几个应用中,结构健康状态监测,振动吸收制品和微电子可提及。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢FQRNT(乐全宗魁北克德拉RECHERCHE河畔拉自然等莱科技)的资金支持。作者要感谢的咨询支持教授马丁Levesque的,我的教授阿里·埃尔Khakani和Brahim的Aissa博士。
Dispensing Robot | I & J Fisnar | I & J2200-4 | – |
Robot software | I & J Fisnar | – | JR-Point Dispensing |
Syringe Barrel | Nordson EFD Inc. | 7012072 | 3cc |
Dispensing Nozzle | Nordson EFD Inc. | 7018225 | Stainless Steel Tip (ID: 0.51 mm) |
Dispensing Nozzle | Nordson EFD Inc. | 7018424 | Stainless Steel Tip (ID: 0.15 mm) |
Fluid Dispenser | Nordson EFD Inc. | HP-7X | – |
Fluid Dispenser | Nordson EFD Inc. | 800 | – |
Live camera | MediaCybernetics | QI, Cool, Color | 12 Bit, Qimaging |
Live Camera Software | Image-pro Plus | – | Version 6 |
Precision Saw | Buehler (IsoMet) | 622-ISF-03604 | Low-Speed Saw |
Flexible plastic Tube | Saint-Gobain PRL Corp. | Tygon 177936 | – |
Stirring hot plate | Barnstead international | SP131825 | – |
Vacuumed-oven | Cole-Parmer | EW-05053-10 | – |
Ultrasonic cleaner | Cole-Parmer | EW-08891-11 | – |
Three-roll mill mixer | Exakt Technologies | Exakt 80E | – |
Dynamic Mechanical Analyzer | TA Instruments | DMA Q800 | – |
UV-lamp | Cole Parmer | RK-97600-00 | Intensity of 21mW/cm² |