3D打印碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的機(jī)械行為和微觀結(jié)構(gòu)

供稿人：王義凱 高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近來，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組通過研究碳納米管(CNTs)增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的新型油墨配方，解決了目前三維打印材料的部分局限性問題。其所制備的油墨由碳納米管/銅粉、聚乙二醇/聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇/磷酸三乙酯混合溶劑組成。采用分子水平混合(MLM)、微擠壓三維打印(MED-3D)和無壓燒結(jié)( Pressureless Sintering)工藝制備的三維碳納米管/銅復(fù)合材料（表面孔隙度：6.01%：內(nèi)部孔隙度：4.45%：燒結(jié)溫度：1173K），其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，尺寸精度高，具有出色的機(jī)械強(qiáng)度，最大抗壓強(qiáng)度為10.65±0.9MPa，比純Cu高104.9%。此外，他們還對碳納米管/銅復(fù)合材料的表面形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了表征，研究了燒結(jié)工藝參數(shù)對材料力學(xué)性能的影響。

通過3D打印制備碳納米管/銅復(fù)合材料的制作方法包括四個主要步驟(如圖1): a)用MLM工藝制備CNTs/Cu粉末； b)3D打印漿料制備，即由可溶性聚合物和CNTs/Cu粉末組成的混合物； c)3D打印制備網(wǎng)格結(jié)構(gòu)樣品； d)在氫氣環(huán)境下對3D打印樣品進(jìn)行無壓燒結(jié)。 在研究過程中，該課題組首先采用分子水平混合(MLM)和微擠壓三維打印(MED-3D)技術(shù)制備出碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料樣品，然后進(jìn)行了燒結(jié)溫度的控制與優(yōu)化，使其內(nèi)部孔隙率降低?？梢园l(fā)現(xiàn)（如圖2），隨著燒結(jié)溫度的升高，碳納米管/銅復(fù)合材料的表面形貌由顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)檎w分布，提高了復(fù)合材料的致密度和強(qiáng)度。且在溫度到達(dá)1173k時(shí)，碳納米管/銅粉內(nèi)部產(chǎn)生了大量的相互擴(kuò)散和金屬燒結(jié)現(xiàn)象，這也促進(jìn)了燒結(jié)碳納米管/銅復(fù)合材料的致密化。 該研究結(jié)果說明，通過優(yōu)化燒結(jié)溫度來控制3D打印碳納米管/銅復(fù)合材料的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度是可行的；碳納米管可以通過MED-3D打印技術(shù)引入粉末狀液體油墨中；該工藝可用于制備具有足夠強(qiáng)度的三維打印碳納米管/銅復(fù)合材料。

圖1 CNTs/Cu復(fù)合材料的制作步驟

圖2 （a-b）在1173 K的燒結(jié)溫度下，SEM圖像的表面和純Cu的橫截面；（c/f）3D打印CNT/Cu復(fù)合材料表面、橫截面和XRD圖譜的SEM圖 像，燒結(jié)溫度為1173 K。

參考文獻(xiàn)：
Zhao, Q., et al., Mechanical behavior and microstructure of 3D-printed carbon nanotubes-reinforced Cu composite. Diamond and Related Materials, 2021: p. 108651.