Driedimensionale (3D) microstructured samengestelde liggers zijn gefabriceerd door middel van de gerichte en lokale infiltratie van nanocomposieten in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De flexibiliteit van deze produktiemethode maakt het gebruik van verschillende thermohardende materialen en vulstof teneinde verschillende functionele 3D versterkte nanocomposiet macroscopische producten te verbeteren.
Microgestructureerde samengestelde balken versterkt met complexe driedimensionaal (3D) gevormde nanocomposiet microfilamenten vervaardigd via nanocomposiet infiltratie van 3D verbonden microfluïdische netwerk. De vervaardiging van de versterkte bundels begint met de vervaardiging van microfluïdische netwerk, welke laag-voor-laag afzetting van vluchtige inkt filamenten omvat met een afgifte robot, het vullen van de lege ruimte tussen de draden met een lage viscositeit hars uitharden van de hars en tenslotte verwijderen van de inkt. Zelf ondersteunde 3D-structuren met andere geometrieën en vele lagen (bijvoorbeeld enkele honderden lagen) kunnen worden gebouwd met deze methode. De resulterende buisvormige microfluïdische netwerken worden vervolgens geïnfiltreerd met thermohardende nanocomposiet suspensies die vulstof (bijv. single-walled carbon nanotubes), en vervolgens uitgehard. De infiltratie wordt uitgevoerd door een drukgradiënt tussen twee uiteinden van de lege netwerk (hetzij door het aanbrengen van een vacuüm-of vacuüm-assisted micro-injectie). Vóór de infiltratie, worden de suspensies nanocomposiet bereid door het dispergeren vulstof in polymeermatrices met ultrasone trillingen en drie schermen mengwerkwijzen. De nanocomposieten (dwz materiaal geïnfiltreerd) worden vervolgens gestold onder UV-belichting / hitte behandeling, resulteert in een 3D-versterkte samengestelde structuur. De hier gepresenteerde techniek maakt de ontwikkeling functionele nanocomposiet macroscopische producten microengineering toepassingen zoals actuatoren en sensoren.
Nanocomposieten met behulp van nanomaterialen, vooral koolstof nanobuisjes (CNT) opgenomen in polymeermatrices voorzien van multifunctionele eigenschappen 1 voor potentiële toepassingen zoals composieten, 2, micro-elektromechanische systemen 3 (bijv. microsensors), en slimme polymeren 4. Verscheidene bewerkingsstappen zoals CNT behandeling en nanocomposiet mengwerkwijzen kan worden verzocht voorkeur dispergeren CNTs in de matrix. Aangezien de beeldverhouding van het CNT ', hun dispersietoestand en oppervlaktebehandeling beïnvloeden vooral de elektrische en mechanische prestaties, kan de nanocomposiet veredeling variëren afhankelijk van de gewenste eigenschappen voor een gerichte toepassing 5. Bovendien specifieke belastingstoestanden, uitlijnen CNTs langs een willekeurige richting en ook het positioneren van de versterkingen op gewenste plaatsen mogelijk verdere verbetering van de mechanische en / of elektrische eigenschappen van deze nanocomposites.
Enkele technieken zoals schuifstroom 6-7 en elektromagnetische velden 8 zijn gebruikt om de CNTs lijnen langs een gewenste richting in een polymere matrix. Bovendien CNT oriëntatie veroorzaakt door dimensionale beperkende, in het bijzonder in een dimensie (1D) en twee-dimensionale (2D), is waargenomen bij de verwerking / vorming van nanocomposietmaterialen 9-11. Er zijn echter nieuwe ontwikkelingen op de productieprocessen nog steeds nodig om voldoende controle van de drie-dimensionale (3D) oriëntatie en / of plaatsing van de nanobuis wapening tijdens het productieproces van een product voor optimale omstandigheden het toelaten.
In dit artikel presenteren we een protocol voor het vervaardigen van 3D-versterkte composiet balken via gerichte en lokale infiltratie van een 3D microfluïdische netwerk met polymeer nanocomposiet suspensies (figuur 1). Ten eerste, de fabricage van een 3D verbonden microfluidicnetwerk wordt aangetoond dat de directe-write fabricage van de diffuse inkt filamenten 12-13 van epoxy substraten (figuren 2a pt 2b), gevolgd door epoxy omhulsel (Figuur 2c) en het offer inkt verwijderen (figuur 2d) omvat. De directe-schrijfmethode bestaat uit een computergestuurde robot die een vloeistofhouder langs de x, y en z-assen (fig. 3) beweegt. Deze techniek biedt een snelle en flexibele manier om 3D microdevices voor fotonische, MEMS en biotechnologische toepassingen (figuur 4) fabriceren. Vervolgens wordt de nanocomposiet bereiding gedemonstreerd, samen met de infiltratie (of injectie) in het poreuze netwerk onder verschillende gecontroleerde en constante druk om 3D-versterkte composieten meerschalige produceren (figuren 2e pt 2f). Tenslotte enkele representatieve resultaten met hun potentiële toepassingen weergegeven.
De experimentele procedure hier gepresenteerde is een nieuwe en flexibele methode vervaardigen om mechanische prestaties van polymeren gebaseerde materialen op maat voor ontwerp van het materiaal doeleinden. Met deze methode kan gewenste eigenschappen worden bereikt op basis van de juiste keuze van componenten (bijvoorbeeld geïnfiltreerd materiaal en voornaamste matrix) en engineering de composietstructuren. Eerst wordt de techniek maakt de bereiding van een materiaal samengesteld uit verschillende thermohardende polymeren, die een unieke temperatuurafhankelijke eigenschap die anders is dan die van de componenten bulks 15. Een ander voordeel van deze techniek boven andere nanocomposiet fabricage technieken waarmee de vulstof uniform verdeeld door heel matrix de mogelijkheid ruimtelijk plaatsen versterkingen op gewenste plaatsen in deze 3D-versterkte composiet balken. Door deze positionering vermogen, een lagere hoeveelheid van mogelijk dure nanovulstoffen nodig is om een bepaalde mechanische eigenschappen 13 te verkrijgen. Aangezien de versterking patroon gehoorzaamt de originele direct-schrijven van de inkt steiger, wordt afstand de filamenten 'in een bepaalde laag beperkt tot ongeveer tien keer de inkt filamenten diameter als gevolg van de visco-elastische eigenschappen van de voortvluchtige inkt. Anderzijds kan een kleine tussenruimte vloeistofstroom epoxy beperken tijdens het epoxy omhulsel stap. Bovendien moet de diameter van de inkt filament groot genoeg zijn (bijv. boven 50 urn) voor een gemakkelijke fabricage (bijv. extrusie van hoog viskeuze inkt) en daaropvolgende productiestappen zoals nanocomposiet infiltratie in de microfluïdische netwerk.
Een ander potentieel van de onderhavige werkwijze kan het vermogen van aanpassing van de afzonderlijke CNTs of andere vulstof in de stroomrichting onder schuifkracht 16 door nanocomposiet infiltratie bij hogere snelheden / drukken, als de vulstof goedGedispergeerd tijdens het nanocomposiet mengproces. Echter, een hoge mate aangepast kan alleen bij zeer hoge drukken infiltratie (door kleine kanaaldiameter), die luchtinsluiting kan veroorzaken in het netwerk tijdens de infiltratie bereikt.
Representatieve optische beelden in fig. 6 tonen het door de mengprocedure die in protocol 2 (twee beelden onderaan de figuur) nanocomposieten. De waargenomen donkere vlekken wordt gedacht dat nanobuis aggregaten. Voor de ultrasonicated nanocomposiet, de micron-size aggregaten met een diameter tot ~ 7 urn aanwezig, terwijl een drastische verandering van de grootte van de aggregaten (een gemiddelde van ~ 1 micrometer) wordt waargenomen voor de afschuiving gemengd nanocomposiet. Aangezien de nanofiller dispersie beïnvloedt de mechanische en elektrische eigenschappen van de vervaardigde 3D nanocomposiet balken, dient een verbeterde dispersie worden bereikt om alle voordelen van 3D positionering van nan nemenofillers met behulp van de huidige productietechniek. Daarom is een verder onderzoek nodig is om systematisch onderzoek de dispersie toestanden van nanobuisjes en het gebruik van andere vulstof, die gemakkelijker in de epoxy matrix worden gedispergeerd.
De huidige productie-techniek kan het ontwerp van functionele 3D nanocomposiet producten voor microengineering toepassing 17 mogelijk te maken. De techniek is niet beperkt tot de in deze studie gebruikte materialen. Daarom kon de toepassing van deze techniek worden verlengd door het gebruik van andere thermohardende materialen en vulstof. Tussen verschillende toepassingen kunnen structurele bewaking gezondheid, trillingsdemping producten en micro-elektronica worden vermeld.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs erkennen financiële steun van FQRNT (Le Quebecois Fonds de la Recherche sur la Nature et les Technologies). De auteurs willen graag de consulting steun van prof. dr. Martin Levesque, Prof Mijn Ali El Khakani en Dr Brahim Aissa bedanken.
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 |