Herstellung von dreidimensional Mikrostrukturierte Nanokomposite durch Mikrofluidik-Infiltration

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, 3D-mikrostrukturierte Verbundträger durch gezielte und lokalisierte Infiltration von Nanokompositen in 3D-poröse mikrofluidische Netzwerke herzustellen. Die mikrofluidischen Netzwerke werden durch schichtweises Auftragen flüssiger Tinte erzeugt. Anschließend werden die Hohlräume zwischen den Filamenten mit einem Harz geringer Viskosität gefüllt und das umschließende Epoxidharz ausgehärtet.

Die flüchtige Tinte wird anschließend durch Verflüssigung der Tinte aus der Struktur entfernt, gefolgt von einer Spülung der Kanäle mit heißem Wasser und Hean. Danach werden die resultierenden mikrofluidischen Röhrennetzwerke mit härtbaren nanokompositen Suspensionen, die Nanofüllstoffe enthalten, infiltriert und anschließend ausgehärtet. Der letzte Schritt besteht in der Aushärtung des hergestellten Balkens und dem Abschneiden der überschüssigen Teile auf die gewünschten Abmessungen.

Schließlich werden verschiedene morphologische und mechanische Charakterisierungstechniken eingesetzt, um die Eignung der Herstellungstechnik für die Entwicklung funktionaler makroskopischer Nanokomposite nachzuweisen. Wir beschäftigen uns seit mehreren Jahren mit der Entwicklung fortschrittlicher Materialien, insbesondere thermoplastischer und auf Thermo-Zellen basierender Nanokomposite. Nun versuchen wir, die Grenzen unserer Methode zu erweitern, indem wir ein neues Materialsystem sowie neue Ansätze zur Herstellung komplexer 3D-Bauteile untersuchen.

Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zu bestehenden Verfahren wie dem Spritzgießen besteht darin, dass die PRIs-Technik eine ausreichende Kontrolle über die dreidimensionale Ausrichtung und Positionierung der Nanoröhrenverstärkung während der Herstellung eines Produkts unter optimalen Bedingungen ermöglicht. Dieses flexible Fertigungsverfahren kann auch auf die Verwendung anderer thermohärtender Materialien und Nano-Füllstoffe ausgedehnt werden. Zu den zahlreichen Anwendungen gehören die Überwachung der strukturellen Integrität, Schwingungsdämpfungsprodukte und die Mikroelektronik. Um die flüchtige Tinte zum Schmelzen zu bringen, werden Mikrokristallwachs und Vaseline auf einem magnetischen Heizrührer bei 80 Grad Celsius erhitzt. Sobald die Substanzen geschmolzen und vermischt sind, wird die Tinte in einen 3-cc-Spritzenzylinder gefüllt.

Befestigen Sie eine Dosierdüse mit 150 Mikrometer Durchmesser an der Spritze und montieren Sie die Spritze in der Spritzenhalterung des Dosierroboters. Verwenden Sie ein Excel-Programm, um den Bewegungspfad des Dosierroboters für die Herstellung der gewünschten 3D-Gerüststruktur zu entwerfen. Diese Informationen sollten die Abmessungen der Struktur, den Fadenabstand, die Anzahl der Schichten sowie den Ein- und Ausschaltstatus der Dosierung an jeder Position während der Herstellung umfassen.

In diesem Fall betragen die Abmessungen 60 Millimeter in der Länge, 7,5 Millimeter in der Breite und 1,7 Millimeter in der Dicke, mit einem horizontalen Abstand von 0,25 Millimetern zwischen den einzelnen Filamenten bei einem Filamentdurchmesser von etwa 150 Mikrometern. Stellen Sie den Ablagedruck am Druckregler auf 1,9 Megapascal ein und legen Sie die Roboterdosiergeschwindigkeit auf 4,7 Millimeter pro Sekunde fest. Aktivieren Sie anschließend die Ablage der tintentragenden Filamente auf einem Epoxysubstrat.

Dies führt zu einem zweidimensionalen Muster, das die erste Schicht des Mikrogerüsts darstellt. Setzen Sie das Aufbringen zusätzlicher Schichten des Mikrogerüsts fort, indem Sie die Z-Position der Dosierdüse schrittweise um eine Strecke erhöhen, die dem Durchmesser des Filaments entspricht. Für jede Schicht werden etwa vier bis fünf Minuten benötigt; auf diese Weise können selbsttragende Strukturen mit mehreren hundert Schichten aufgebaut werden.

Der nächste Schritt besteht darin, das Epoxidharz vorzubereiten, das für die Vergussung verwendet wird. Mischen Sie zunächst das Harz und den Härter und entgasen Sie anschließend die Epoxidmischung unter Vakuum für 30 Minuten. Nach der Entgasung wird das Epoxidharz mit Hilfe eines Flüssigdosiergeräts unter Anlegen eines Unterdrucks in einen 3-cc-Spritzenzylinder gefüllt.

Danach eine Düse mit einem Innendurchmesser von 0,51 Millimetern in den Spritzenzylinder einsetzen. Das Tintengerüst schräg stellen, um den Harzfluss zu erleichtern. Anschließend mit demselben Flüssigkeitsdosierer und der montierten Düse Tropfen des Epoxids am oberen Ende der schrägen Gerüststruktur abgeben.

Das Epoxidharz fließt dann aufgrund von Schwerkraft und Kapillarkräften in die leeren Zwischenräume zwischen den Filamenten. Setzen Sie das Hinzufügen von Tropfen Epoxidharz auf das Gerüst fort, bis der freie Raum zwischen den Filamenten des Gerüsts vollständig gefüllt ist. Lassen Sie das umhüllende Epoxidharz-Vorläufermaterial 24 Stunden lang bei Raumtemperatur aushärten und stellen Sie die Struktur anschließend zwei Stunden lang in einen Ofen, um sie bei 60 Grad Celsius nachzuhärten.

Nach der Aushärtung die überschüssigen Teile des Epoxids mit einer Präzisionssäge abschneiden. Anschließend an jedem Ende der Struktur ein Loch mit einem Durchmesser von etwa einem Millimeter bohren. Um das Tintengerüst zu erreichen, einen Kunststoffschlauch in jedes der Löcher einführen.

Der nächste Schritt besteht darin, die löschbare Tinte aus der Struktur zu entfernen. Legen Sie die Proben dazu für 30 Minuten in einen Ofen bei 90 Grad Celsius, um die Tinte zu verflüssigen. Nach dem Entnehmen der Proben aus dem Ofen spülen Sie das Kanalnetzwerk durch, indem Sie fünf Minuten lang heißes destilliertes Wasser durch die Kunststoffschläuche absaugen.

Anschießend wird fünf Minuten lang Hexan durch die Röhren gesaugt, um die restlichen Spuren der Tinte von den Kanalwänden nach der Tintenentfernung zu entfernen. Zurück bleibt ein vernetztes 3D-Mikrofluidik-Netzwerk, das bei Raumtemperatur gelagert werden kann, bis es benötigt wird. Zur Herstellung der Nanokomposite werden 150 Milligramm Kohlenstoff-Nanoröhren einer 0,1 Millimolar-Lösung von Zinkprotoporphyrin-IX-Surfaktant entweder in Aceton oder Dichlormethan zugesetzt, um eine endgültige Nanoröhrenkonzentration von 0,5 Gewichtsprozent zu erreichen.

Als Nächstes die Suspension 30 Minuten lang in einem Ultraschallbad sonifizieren, um die Nanoröhren-Aggregate aufzulösen. Das Epoxid- oder Urethanharz mit der Nanoröhren-Suspension auf einem magnetischen Rührheizgerät bei einer Temperatur knapp unterhalb des Lösungsmittels mischen.

Anschließend wird die Nanokompositmischung vier Stunden lang bei Siedetemperatur erhitzt, in das Ultraschallbad gegeben und unter Erwärmung auf 40 bis 50 Grad Celsius eine Stunde lang sonifiziert. Danach wird das Nanokomposit 12 Stunden lang bei 30 Grad Celsius erhitzt und anschließend unter Vakuum 24 Stunden lang bei 50 Grad Celsius erhitzt, um das restliche Lösungsmittel zu verdampfen. Am nächsten Tag.

Stellen Sie einen Teil des Nanokomposits bei Raumtemperatur zur Seite, um als Basisvergleich zu dienen, um große Nanoröhren-Aggregate aufzubrechen. Stellen Sie die Drehzahl der Läppwalze eines Dreiwalzenmühle auf 250 U/min ein und beginnen Sie mit einem Spalt von 25 Mikrometern zwischen den Walzen. Führen Sie die verbleibende Nanokompositmischung fünfmal durch die Walzen. Anschließend stellen Sie den Spalt zwischen den Walzen auf 10 Mikrometer ein und führen fünf weitere Durchgänge durch. Nach einer endgültigen Verringerung des Spalts auf fünf Mikrometer führen Sie zusätzliche 10 Durchgänge mit den Nanokompositen durch. Die Nanokomposite vor und nach dem Durchlaufen der Walzen sind hier dargestellt.

Als Nächstes entgasen Sie die endgültige Mischung 24 Stunden lang unter Vakuum mithilfe eines Exsikkators, um die während des Mischvorgangs eingeschlossenen Luftblasen zu entfernen. Im nächsten Schritt wird das Nanokomposit in die mikrofluidische Vorrichtung injiziert. Nachdem die Nanokomposite in den Flüssigkeitsdosierer gegeben wurden, wird eine Unterdruckbeaufschlagung auf den Flüssigkeitsdosierer ausgeübt, wodurch die Nanokomposite in einen 3-cc-Spritzenzylinder aufgezogen werden.

Befestigen Sie eine feine Düse an dem Spritzenkörper und führen Sie die Düse in die Kanäle des mikrofluidischen Geräts ein. Stellen Sie dann gegebenenfalls den Druck des Fluidapplikators auf 400 Kilopascal ein, um das Befüllen des Netzwerks zu unterstützen. Wenden Sie mithilfe eines weiteren Fluidapplikators eine Unterdruck auf die Auslassseite des mikrofluidischen Netzwerks an.

Nachdem der Druck aufgebracht wurde, füllt die Nanokomposit-Suspension das mikrofluidische Netzwerk, wobei sie über den Kunststoffschlauch in das Netzwerk eindringt. Kurz nach der Injektion wurden die mit Nanokomposit gefüllten Kompositbalken 30 Minuten lang einer UV-Bestrahlung zur Vorvernetzung ausgesetzt. Anschließend erfolgt die Nachvernetzung der hergestellten Balken im Ofen bei 80 Grad Celsius für eine Stunde, gefolgt von 130 Grad Celsius für eine weitere Stunde.

Nachdem die überschüssigen Epoxyteile mit einer Säge bearbeitet und die Balken auf die gewünschten Abmessungen zugeschnitten wurden, ist hier ein isometrisches Bild eines hergestellten 3D-verstärkten Balkens dargestellt. Dieser Querschnitt zeigt neun Schichten der Nanokomposit-Filamente. Diese Abbildung zeigt ein REM-Bild der Bruchfläche eines hergestellten Balkens sowie eine Aufnahme mit höherer Vergrößerung eines der Kanäle, die mit Nanokomposit-Mikrofasern befüllt sind.

Da keine Entklebung an der Kanalwand zu erkennen ist, scheinen das umgebende Epoxidharz und die infiltrierten Materialien gut haftend zu sein, was vermutlich auf eine ordnungsgemäße Reinigung der Kanäle mit Hexan nach der Tintenentfernung zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu werden hier Balken gezeigt, die während der mechanischen Prüfung gebrochen wurden, bei denen Hexan während der Tintenentfernung nicht verwendet wurde. Es wird eine Faserentklebung infolge einer schlechten mechanischen Grenzfläche beobachtet, was auf verbliebene Rückstände der flüchtigen Tinte nach der Netzwerkreinigung zurückzuführen sein könnte.

Das Speichermodul von geformten massiven Epoxymustern, die als Referenz verwendet wurden, sowie der 3D-verstärkten Balken wird hier dargestellt. Die hergestellten Balken, die aus der Kombination der eingebetteten und umgebenden Epoxymaterialien bestehen, weisen überlegene temperaturabhängige Eigenschaften auf, und zwar bereits bei einem Gehalt von nur etwa 0,18 Gewichtsprozent Kohlenstoffnanoröhren. Ein Dreipunkt-Biegetest zeigt, dass sich infolge der Positionierung der Kohlenstoffnanoröhren das Biegemodul der 3D-verstärkten Balken im Vergleich zu reinen, mit Epoxidharz infiltrierten Balken um 34 % erhöhte.

Die geformten Epoxidharz-Probekörper werden als Referenz gezeigt. Dieser Strukturierungsansatz könnte für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, die von flexibler Mikroelektronik bis hin zu 3D-nicht-kompositen Makrostrukturen reichen. Für MEMS.

Wir arbeiten daran, die Grenzen dieser Technik zu erweitern, indem wir neue Materialsysteme untersuchen und neue Methoden zur dreidimensionalen Herstellung erforschen, wie zum Beispiel den 3D-Freiformdruck unter Verwendung nanostrukturierter Verbundwerkstoffe auf Basis von Duroplasten und Thermoplasten. Vielen Dank.