تصنيع ثلاثة الأبعاد Microstructured nanocomposites وخلال ميكروفلويديك تسلل

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع عوارض مركبة ذات بنية دقيقة ثلاثية الأبعاد من خلال عملية تسلل موجهة وموضعية للمركبات النانوية داخل شبكات مائعية دقيقة مسامية ثلاثية الأبعاد. يتم تصنيع الشبكات المائعية الدقيقة عن طريق ترسيب الحبر السائل طبقة تلو الأخرى، ثم تُملأ الفراغات الموجودة بين الخيوط باستخدام راتنج منخفض اللزوجة، وبعد ذلك يتم معالجة الإيبوكسي المغلف.

ثم يتم إزالة الحبر الهارب من الهيكل عن طريق تسييل الحبر، يلي ذلك غسل القنوات بالماء الساخن والهكسان. بعد ذلك، يتم تغلغل الشبكات الموائعية الدقيقة الأنبوبية الناتجة بمعلقات مركبة نانوية ذات تصليب حراري تحتوي على حشوات نانوية ثم يتم معالجتها. الخطوة النهائية هي تصليب العارضة المصنعة وقص الأجزاء الزائدة وفقاً للأبعاد المطلوبة.

وفي الختام، تُستخدم تقنيات توصيف مورفولوجية وميكانيكية متنوعة لإثبات قدرة تقنية التصنيع على تصميم منتجات عيانية من المركبات النانوية الوظيفية. لقد عملنا لعدة سنوات الآن على تطوير مواد متقدمة، وتحديداً المركبات النانوية القائمة على اللدائن الحرارية والخلايا الحرارية. ونحاول الآن توسيع آفاق منهجيتنا من خلال البحث في نظام مواد جديد وكذلك طرق جديدة لتصنيع أجزاء ثلاثية الأبعاد معقدة.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل القولبة بالحقن، في أن تقنية PRIs تسمح بالتحكم الكافي في التوجيه ثلاثي الأبعاد وتموضع تعزيزات الأنابيب النانوية أثناء تصنيع المنتج لتحقيق الظروف المثلى. وتمتد تقنية التصنيع المرنة هذه لتشمل استخدام مواد أخرى متصلبة حرارياً وحشوات نانوية. وتشمل التطبيقات المتعددة مراقبة الصحة الهيكلية، ومنتجات امتصاص الاهتزازات، والإلكترونيات الدقيقة. ولجعل الحبر المؤقت ينصهر، يتم خلط الشمع ميكروكريستالي والهلام البترولي فوق خلاط مغناطيسي بسخان حراري عند 80 °C، وعندما ينصهر الخليط ويمتزج، يتم تحميل الحبر في أسطوانة حقنة سعتها 3 cc.

قم بتركيب فوهة توزيع بقطر 150 ميكرومتر على السرنجة، ثم ثبّت السرنجة في حامل السرنجات الخاص بروبوت التوزيع. استخدم برنامج Excel لتصميم مسار حركة روبوت التوزيع اللازم لتصنيع هيكل السقالة ثلاثي الأبعاد المطلوب. يجب أن تتضمن هذه المعلومات أبعاد الهيكل، والمسافات بين الخيوط، وعدد الطبقات، وحالة التوزيع (تشغيل/إيقاف) عند كل موقع أثناء عملية التصنيع.

في هذه الحالة، تبلغ الأبعاد 60 مليمترًا في الطول، و 7.5 مليمترًا في العرض، و 1.7 مليمترًا في السماكة، مع وجود مسافات أفقية قدرها 0.25 مليمتر بين كل خيط، ليكون قطر الخيط حوالي 150 ميكرومتر. اضبط ضغط الترسيب على 1.9 ميجاباسكال باستخدام منظم الضغط، واضبط سرعة التوزيع للروبوت على 4.7 مليمتر في الثانية. بعد ذلك، قم بتفعيل ترسيب الخيوط القائمة على الحبر على ركيزة من الإيبوكسي.

يؤدي ذلك إلى تكوين نمط ثنائي الأبعاد، والذي يمثل الطبقة الأولى من السقالة الدقيقة. استمر في ترسيب طبقات إضافية من السقالة الدقيقة عن طريق زيادة الموضع Z لفوهة التوزيع بالتتابع بمقدار يساوي قطر الخيط. تستغرق كل طبقة حوالي أربع إلى خمس دقائق لصنع هياكل ذاتية الدعم، ويمكن بناء مئات الطبقات بهذه الطريقة.

تتمثل الخطوة التالية في تحضير الإيبوكسي الذي سيُستخدم في عملية التغليف. ابدأ بخلط الراتنج والمصلد، ثم قم بإزالة الغازات من خليط الإيبوكسي تحت تفريغ هوائي لمدة 30 دقيقة. بعد إزالة الغازات، قم بتعبئة الإيبوكسي في أسطوانة محقنة سعة 3 cc عن طريق تطبيق ضغط سلبي باستخدام موزِّع سوائل.

بعد ذلك، ضع فوهة بقطر داخلي قدره 0.51 millimeters في أسطوانة السرنجة. ضع السقالة الحبرية في وضع مائل للمساعدة في تدفق الراتنج. ثم، وباستخدام نفس موزع السوائل والفوهة المثبتة، ضع قطرات من الإيبوكسي عند الطرف العلوي لهيكل السقالة المائلة.

ثم يتدفق الإيبوكسي في المساحات الفارغة بين الخيوط مدفوعاً بقوى الجاذبية والخاصية الشعرية. استمر في وضع قطرات من الإيبوكسي فوق السقالة حتى يتم ملء المساحات الفارغة بين خيوط السقالة تماماً. اترك الإيبوكسي المغلف ليتصلب أولياً في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة، ثم ضع الهيكل في فرن للتصلب النهائي عند 60 °C لمدة ساعتين.

بعد عملية المعالجة، استخدم منشاراً دقيقاً لإزالة الأجزاء الزائدة من الإيبوكسي. ثم قم بحفر ثقب بقطر 1 mm تقريباً عند كل طرف من أطراف الهيكل. وللوصول إلى ساند الحبر، أدخل أنبوباً بلاستيكياً في كل ثقب من الثقوب.

تتمثل الخطوة التالية في إزالة الحبر المؤقت من الهيكل. ابدأ بوضع العينات في فرن عند درجة حرارة 90 °C لمدة 30 دقيقة لتسييل الحبر. بعد إخراج العينات من الفرن، اغسل شبكة القنوات عن طريق سحب ماء مقطر ساخن عبر الأنابيب البلاستيكية لمدة خمس دقائق.

ثم يتم شفط الهكسان عبر الأنابيب لمدة خمس دقائق أخرى لإزالة الآثار المتبقية من الحبر من جدران القنوات بعد عملية إزالة الحبر. وما يتبقى هو شبكة مائعية دقيقة ثلاثية الأبعاد مترابطة، يمكن تخزينها في درجة حرارة الغرفة حتى يحين وقت استخدامها. ولتحضير المركبات النانوية، أضف 150 mg من أنابيب الكربون النانوية إلى محلول بتركيز 0.1 mM من zinc Proto porphyrin nine surfactant في إما الأسيتون أو ثنائي كلورو ميثان، للحصول على تركيز نهائي لأنابيب النانو يبلغ 0.5% وزناً.

بعد ذلك، قم بمعالجة المعلق بالسونيكاتور في حمام فوق صوتي لمدة 30 دقيقة؛ وذلك لتفكيك تجمعات الأنابيب النانوية. اخلط راتنج الإيبوكسي أو اليوريثان مع معلق الأنابيب النانوية فوق لوح تسخين مع محرك مغناطيسي عند درجة حرارة أقل قليلاً من درجة حرارة المذيب.

بعد الغليان لمدة أربع ساعات، يوضع خليط المركب النانوي في حمام الموجات فوق الصوتية، ويُعالج بالسونكة مع التسخين عند 40 إلى 50 درجة Celsius لمدة ساعة واحدة. بعد ذلك، يُسخن المركب النانوي عند 30 درجة Celsius لمدة 12 ساعة، ثم يُسخن تحت تفريغ هوائي عند 50 درجة Celsius لمدة 24 ساعة لتبخير المذيب المتبقي. وفي اليوم التالي.

احتفظ بجزء من المركب النانوي في درجة حرارة الغرفة لاستخدامه كمقارنة مرجعية لتفكيك أي تجمعات كبيرة من الأنابيب النانوية. اضبط سرعة أسطوانة التغذية في خلاط الأسطوانات الثلاث على 250 RPMs، وابدأ بفجوة قدرها 25 micrometers بين الأسطوانات، ثم مرر خليط المركب النانوي المتبقي عبر الأسطوانات خمس مرات. بعد ذلك، اضبط الفجوة بين الأسطوانات لتصبح 10 micrometers وقم بخمس تمريرات إضافية. وبعد تقليل الفجوة نهائياً إلى خمس micrometers، قم بإجراء 10 تمريرات إضافية. تظهر هنا المركبات النانوية قبل وبعد تمريرها عبر الأسطوانات.

بعد ذلك، قم بإزالة الغازات من الخليط النهائي باستخدام جهاز التفريغ لمدة 24 ساعة مع استخدام مادة مجففة لإزالة فقاعات الهواء المحتبسة أثناء الخلط. الخطوة التالية هي حقن المركب النانوي في جهاز الموائع الدقيقة. بعد وضع المركبات النانوية في موزع السوائل، قم بتطبيق ضغط سلبي على موزع السوائل، مما يؤدي إلى تحميل المركبات النانوية في أسطوانة حقنة سعة 3 cc.

ثبّت فوهة دقيقة في برميل المحقنة وأدخل الفوهة في الأنابيب الموجودة في الجهاز الموائع الدقيقة. بعد ذلك، اضبط الضغط في موزع السوائل على 400 kilo pascals إذا لزم الأمر، للمساعدة في ملء الشبكة. طبّق ضغطاً سالباً على جانب المخرج في شبكة الموائع الدقيقة باستخدام موزع سوائل آخر.

بمجرد تطبيق الضغط، تملأ مادة تعليق المركب النانوي الشبكة الموائع دقيقة، حيث تدخل الشبكة عبر الأنبوب البلاستيكي. وبعد الحقن بفترة وجيزة، يتم تعريض العوارض المركبة المليئة بالمركب النانوي للإضاءة بالأشعة فوق البنفسجية UV لمدة 30 دقيقة للمعالجة الأولية. ثم تُجرى المعالجة اللاحقة للعوارض المصنعة في الفرن عند 80 درجة Celsius لمدة ساعة واحدة، تليها درجة حرارة 130 درجة Celsius لمدة ساعة أخرى.

بعد قطع أجزاء الإيبوكسي الزائدة باستخدام المنشار وصقل العوارض للوصول إلى الأبعاد المطلوبة، تظهر هنا صورة متساوية القياس لعارضة ثلاثية الأبعاد مقواة ومصنعة. يوضح هذا المقطع العرضي تسع طبقات من خيوط المركب النانوي. يوضح هذا الشكل صورة SEM لسطح كسر عارضة مصنعة وصورة بتكبير أعلى لإحدى القنوات المدمجة بالألياف الدقيقة للمركب النانوي.

بما أنه لم يظهر أي انفصال في الترابط عند جدار القناة، يبدو أن الإيبوكسي المحيط والمواد المتغلغلة ملتصقة جيداً، ويرجح أن يكون ذلك نتيجة للتنظيف السليم للقنوات باستخدام الهكسان بعد إزالة الحبر. وفي المقابل، تظهر هنا عوارض انكسرت أثناء الاختبار الميكانيكي حيث لم يُستخدم الهكسان أثناء إزالة الحبر. ويُلاحظ حدوث انفصال في ترابط الألياف نتيجة لواجهة ميكانيكية ضعيفة، وهو ما قد يعود إلى بقايا آثار من الحبر المتطاير بعد تنظيف الشبكة.

يظهر هنا معامل التخزين لعينات الإيبوكسي السائبة المصبوبة المستخدمة كمعايير مرجعية، والعوارض المدعمة ثلاثية الأبعاد. وتُظهر العوارض المُصنعة، والتي تمثل مزيجاً من مواد الإيبوكسي المدمجة والمحيطة، خصائص فائقة تعتمد على درجة الحرارة مع وجود نسبة ضئيلة تبلغ حوالي 0.18 weight percent فقط من أنابيب الكربون النانوية. كما يوضح اختبار الانحناء ثلاثي النقاط أنه نتيجةً لتوزيع أنابيب الكربون النانوية، أظهر معامل الانحناء للعوارض المدعمة ثلاثية الأبعاد زيادة بنسبة 34% مقارنة بالعوارض المتغلغلة بالإيبوكسي النقي.

تظهر عينات الإيبوكسي الكتلي المصبوبة كمرجع. يمكن استخدام نهج التشكيل هذا في مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتراوح من الإلكترونيات الدقيقة المرنة إلى الهياكل الكلية ثلاثية الأبعاد غير المركبة. لأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى (mems).

نحن نعمل على دفع حدود هذه التقنية من خلال البحث في أنظمة ومواد جديدة، وكذلك استقصاء طرق جديدة للبناء ثلاثي الأبعاد، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد الحرة باستخدام المركبات النانوية القائمة على المواد المتصلبة بالحرارة والمواد لدنة thermoplastic. شكراً لكم.