供稿人:尚振濤 田小永 發(fā)布日期：2017-07-30
增材制造（AM）是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的逐層構(gòu)建物體的技術(shù)，其中熔融沉積制造（FDM）是最常見(jiàn)的技術(shù)之一。該工藝中，熱塑性聚合物絲材通過(guò)高溫噴嘴在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔融溫度值之上被擠出，并在平臺(tái)上逐層沉積以構(gòu)建三維物體，術(shù)語(yǔ)3D打印通常特指這種技術(shù)。最常用的熱塑性聚合物材料有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）和聚碳酸酯（PC）等，但該增材制造技術(shù)的主要限制之一就是其有限的機(jī)械性能。
復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)可以提高FDM產(chǎn)品的機(jī)械性能。聚合物納米復(fù)合材料因僅需少量填料就可以改善基體的性能而受到廣泛關(guān)注。石墨烯納米薄片（xGnP）是由短堆石墨烯片組成的超薄顆粒。這種納米填料已被用作多功能增強(qiáng)材料，因其具有二維石墨烯堆疊結(jié)構(gòu)，從而能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械，電和熱性能。
意大利特倫托大學(xué)的Dul Sithiprumnea等人通過(guò)基于熔融混合和擠出的無(wú)溶劑方法生產(chǎn)出用于FDM工藝的石墨烯-ABS絲材[1]。為了確定最佳的xGnP含量，他們?cè)诶鞕C(jī)械性能和熔融流動(dòng)指數(shù)方面進(jìn)行了初步的研究。在通過(guò)壓縮成型、擠出絲材和FDM打印得到的樣品上監(jiān)測(cè)并對(duì)比純ABS和ABS-xGnP納米復(fù)合材料的性能。同時(shí)在水平、豎直和垂直三種不同的結(jié)構(gòu)取向上研究了xGnP對(duì)ABS打印部件的影響。
圖1是3D打印純ABS材料和石墨烯納米復(fù)合材料的啞鈴標(biāo)準(zhǔn)試樣在水平、豎直和垂直三個(gè)方向斷裂截面的掃描電子顯微鏡照片。圖1-(f)可以清楚地看出石墨烯薄片分布平行于橫截面，可以因此推斷在FDM工藝中，石墨烯納米片被迫沿著層平面被擠出。
圖1 水平、豎直和垂直三個(gè)方向斷裂截面的掃描電子顯微鏡照片
從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加xGnP的ABS納米復(fù)合材料拉伸模量有顯著提高。
圖2 模壓純ABS和納米復(fù)合ABS材料的拉伸模量等力學(xué)性能
由于加工的限制，xGnP填料只在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的情況下進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在所有情況下石墨烯納米片的存在提高了ABS的拉伸模量，對(duì)若干樣品不同取向斷裂截面的研究也證明了這種積極作用。xGnP的存在還能夠降低3D印刷部件的熱膨脹系數(shù)，并提高其在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)負(fù)荷下的工作穩(wěn)定性。同時(shí)添加石墨烯納米片后的復(fù)合材料顯著降低了材料的蠕變?nèi)崃俊?/p>