首爾國(guó)立科技大學(xué)開(kāi)發(fā)可3D打印的高性能碳納米管油墨，用于智能健康監(jiān)測(cè)

2025年9月27日，南極熊獲悉，韓國(guó)首爾國(guó)立科技大學(xué)的一個(gè)研究小組成功開(kāi)發(fā)出專為增材制造優(yōu)化的高拉伸性、導(dǎo)電性碳納米管（CNT）納米復(fù)合材料，并通過(guò)大桶光聚合 (VPP) 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度制造。

△基于碳納米管的納米復(fù)合材料有助于3D打印高度可拉伸和靈敏的壓阻傳感器，可用于開(kāi)發(fā)高性能、可穿戴的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備

技術(shù)研發(fā)背景

聚合物基導(dǎo)電納米復(fù)合材料，尤其是含有碳納米管的復(fù)合材料，在柔性電子器件、軟體機(jī)器人和可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)中前景廣闊。然而，碳納米管（CNT）易于團(tuán)聚，難以獲得均勻的分散，因此難以加工。此外，傳統(tǒng)方法也限制了對(duì)碳納米管分布和形狀的控制。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員正在轉(zhuǎn)向3D打印技術(shù)方法，例如大桶光聚合這種方法具有出色的設(shè)計(jì)自由度和極高的打印精度。在這種方法中，使用光選擇性地固化并硬化桶內(nèi)油墨層，從而逐步構(gòu)建3D物體。盡管這種方法有很多優(yōu)點(diǎn)，但也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。碳納米管的存在會(huì)影響油墨的適印性和固化性能。此外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高拉伸性和導(dǎo)電性也是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

△相關(guān)研究成果發(fā)表在《Composite Structures》期刊上，研究題目為“用于三維結(jié)構(gòu)傳感器應(yīng)用的高拉伸CNT納米復(fù)合材料的光聚合增材制造”（傳送門）

突破碳納米管分散與加工難題

項(xiàng)目帶頭人之一Keun Park教授解釋說(shuō)：“我們的新型CNT納米復(fù)合材料專門針對(duì)基于大桶光聚合的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，可以制造高度復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。我們還使用這些材料增材制造了新的壓阻傳感器，并將它集成到可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中。 ”

研究團(tuán)隊(duì)將多壁碳納米管（MWCNT）均勻分散于脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）樹(shù)脂中，制備出CNT含量為0.1%至0.9%（重量百分比）的聚合物納米復(fù)合油墨。通過(guò)超聲波攪拌實(shí)現(xiàn)均勻分散，并系統(tǒng)評(píng)估油墨的打印適性，優(yōu)化工藝參數(shù)。

性能測(cè)試結(jié)果顯示，含0.9%（重量百分比）CNT配方實(shí)現(xiàn)最佳性能平衡：新材料斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)223%，電導(dǎo)率達(dá)1.64 × 10?3 S/m，性能優(yōu)于現(xiàn)有同類材料，且打印分辨率達(dá)到0.6毫米。

△研究人員指出，新材料的拉伸能力可達(dá)223%，同時(shí)通過(guò)先進(jìn)的打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)足部壓力監(jiān)測(cè)

柔性壓阻傳感器與智能鞋墊應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證材料的實(shí)際應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)基于優(yōu)化的CNT納米復(fù)合材料，3D打印了柔性TPMS結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器。該傳感器展現(xiàn)出高靈敏度與可靠性，并被集成至智能鞋墊平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了足底壓力分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)識(shí)別。

Park教授補(bǔ)充道：“我們開(kāi)發(fā)的CNT納米復(fù)合材料為基于VPP的3D打印工藝量身定制，能夠制造高度復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。智能鞋墊設(shè)備的成功展示，證明了新材料體系在3D打印下一代高拉伸性與導(dǎo)電性材料中的巨大潛力，未來(lái)有望廣泛應(yīng)用于可穿戴健康監(jiān)測(cè)、柔性電子與智能紡織品等領(lǐng)域。”