热门标签-网站地图-注册-登陆-手机版-投稿 3D打印网,中国3D打印行业门户网!
当前位置:主页 > 3D打印材料 > 新材料 > 正文

复合材料顶刊综述:3d打印石墨烯增强的多尺度结构复合材料

时间:2023-01-16 11:16 来源:材料学网 作者:admin 阅读:
极光尔沃
      导读:合理的宏微观结构设计对结构复合材料的力学性能有重要影响,三维打印技术的发展为高效可控构建多维轻质高强复合材料提供了契机。近年来,碳基纳米材料作为结构复合材料的纳米填料,以其巨大的可用比表面积和优异的力学性能而备受关注,尤其是石墨烯这种独特的二维(2D)纳米片,具有优异的杨氏模量、固有强度和显著的拉伸性能。对于石墨烯在3D打印中的应用,宏观组装可以制造任何尺寸和配置的复杂3D物体,同时通过微观调控实现高度定向分布和穿透结构网络的构建。本文概述了3D打印石墨烯增强的多尺度结构复合材料,包括陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和金属基复合材料。并预测了这一快速发展领域目前面临的挑战和未来的应用前景。
       随着极端环境应用中重大装备结构和性能要求的提高,关键精密结构件的轻量化和集成化被视为等结构复合材料有效实用的主要条件。3D打印是一种先进的新型制造技术,其原理是以点、线、面为基本结构单元,将三维实体切片得到的连续二维截面信息逐层叠加。与传统的约简等效材料制造常规相比,3D打印可以突破结构的几何约束,实现复杂结构件的制造,其优势体现在按需堆叠带来的加工成本的降低和集成制造带来的轻量化效果的大幅提升。此外,3D打印旨在优化打印结构的体积、精度、速度、结构均匀性和多物质化。因此,3D打印被广泛应用于消费电子、复杂结构件、多材料复合元件、特殊难成形零件等领域。特别是,微调控的恒剪效应可以实现组分的有序分布和高度定向排列,同时进一步构建穿透性机械增强网络。因此,3D打印技术为轻质高强复合材料结构的快速、低成本、数字化/智能化制造提供了途径,对结构复合材料的性能优化具有实际应用意义。
       构件的组合设计是实现相当结构性能的最基本因素。目前,应用于结构复合材料的印刷构件主要包括热塑性聚合物和金属、陶瓷粉末。所得结构一般表现出优异的机械强度和一定的增韧效果,而3D打印构建的多孔结构存在明显的衰减,难以满足轻量化、高强度的应用要求。因此,碳基纳米材料以其巨大的可用比表面积和优异的力学性能作为结构复合材料的纳米填料而备受关注,特别是石墨烯这种由单层碳原子组成的具有蜂窝晶格结构的二维(2D)纳米片的应用。基于纳米片的增韧效应,包括裂纹偏转、桥接和纳米板拉出机制,3d打印的石墨烯增强复合材料可以实现优化的结构性能。例如,Roman-Manso等人处理了一种轻质、3D的石墨烯/碳化硅细胞结构,具有低密度和相当大的抗压强度。Corral等人提出了一种新的增韧机制,即石墨烯纳米片包裹并锚定附近的单个氮化硅颗粒,以防止拉出。此外,3D打印可控构建的3D石墨烯具有穿透性增韧网络、独特的孔隙率和柔韧性。

对此,中国科学院上海硅酸盐研究所董绍明教授团队进行了研究,相关研究成果以题为“Review on 3D-printed graphene-reinforced composites for structural applications”发表在期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上。

链接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359835X22006017


这篇综述旨在梳理3D打印石墨烯增强复合材料的结构应用的最新进展,并进一步分析石墨烯纳米片在陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料、金属基复合材料以及其他生物工程结构复合材料中的优化机理,如图1所示。将石墨烯及其衍生物(氧化石墨烯和还原氧化石墨烯)与3D打印技术相结合,可打印油墨在水环境中的溶解度和流变性受到人们的密切关注。最大限度地保留了石墨烯纳米片固有的优良力学性能,同时赋予所构建的3D石墨烯以无与伦比的孔隙率、柔韧性和更大的可用比表面积。作为纳米增强剂,石墨烯纳米片可以紧密地锚定并附着在基体颗粒上,从而在变形过程中实现持续的应力传递。此外,通过3D打印组装的特定多维支撑结构实现了复合材料明显的机械互锁特性。此外,定向石墨烯网络结构可以达到独特的各向异性和相干韧性。最终,3d打印石墨烯增强复合材料在结构材料领域的应用对碳基纳米材料作为纳米增强材料的实际前景产生了积极的影响。

图1. 用于结构应用的3d打印石墨烯增强复合材料,包括陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料、金属基复合材料和其他结构复合材料。
图2. 结构取向具有一定的各向异性,抗压强度随GNPs体积分数的增大而增大。(a)所设计支架的结构图和两根正交杆之间接触面积的方案,以及实际杆与坐标轴的排列图。(b)含20 vol% GNPs的GNPs/SiC复合材料烧结棒间抛光表面的FESEM显微照片。(c)和(d) (e)中数字1和2标记区域的更高放大图像。(e)含20 vol% GNPs的GNPs/SiC复合材料烧结棒断口的FESEM显微照片。(f)所有组成的支架的应力与应变关系以及(g)抗压强度值作为不同支架密度的函数。

(责任编辑:admin)

weixin
评论
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价: