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3D打印是近年来快速发展的成型制造工艺,又被称为“增材制造”。相比于传统的减材制造过程,减少了模具制造的过程。这种无模具自由成形的技术摆脱了空间几何及设计工艺的束缚,可将复杂结构设计转变成实体产品。
将3D打印技术与石墨烯/聚合物基复合材料的制备结合起来,可以实现复合材料的快速制造成型,制造复杂结构的产品。石墨烯的加入,使得3D打印产品具有更好的力学性能和功能特性,同时还可以更方便地制备梯度化功能制品。
此外,3D打印逐层制造的方式,抑制了石墨烯在聚合物基体中的大面积团聚,更有利于实现均匀分散。目前用于石墨烯/聚合物基复合材料的3D打印方式主要有以下四种。
喷墨打印成型(Inkjet)
喷墨打印已在电子电路、柔性器件等方面得到了广泛的应用。在常用的压电式喷墨打印成型过程中,打印材料首先溶解或者分散在溶剂中形成“墨汁”,而后根据打印需要适时将电压加在压电陶瓷片上使其产生变形,挤压腔体中的墨汁使其逐滴喷出,在基板上层层累积形成需要打印的形状,最后通过热处理、光照、冷冻干燥等后处理方式去除溶剂定型。
熔融沉积成型(FDM)
熔融沉积成型主要适用于热塑性聚合物的3D打印,是目前最常用的一种3D打印方式。该方法需要将聚合物制备成标准直径的线材,而后通过步进电机将线材输送至喷头处,加热熔融挤出,在基板上根据所需形状层层堆叠粘连,冷却固化后得到所需成型件。
立体光固化成型(SLA)
立体光固化成型也称立体平板印刷或立体光刻,是一种以光敏树脂为打印材料的成型方式。激光束按照设计路线扫描液态光敏树脂表面,使得光敏树脂特定区域固化,形成模型的一层截面。而后升降台向下移动一个微小的距离,进行新一层截面的固化,直至形成完整制件。
选择性激光烧结(SLS)
选择性激光烧结是一种适用于粉末成型的3D打印方式,主要用于金属和陶瓷粉末的打印,但也可用于热塑性聚合物粉末。
目前采用选择性激光烧结成型石墨烯/聚合物基复合材料的报道还相对较少,并且主要集中在尼龙基材料上,今后的研究可向更多的复合材料种类拓展。石墨烯/聚合物基复合材料和3D打印成型方式是两个近年来快速发展的研究方向,将二者结合起来,可为石墨烯/聚合物基复合材料功能性制件的复杂结构成型提供有效的解决途径。采用3D打印成型石墨烯/聚合物基复合材料的很多技术目前还不够成熟,仍处于研究之,但其在电子、能源、生物医药、机械、航空航天等多个领域的应用前景值得期待。
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