ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר אלומות מרוכבות מיקרו מובנות תלת מימדיות באמצעות חדירה מכוונת ומקומית של ננו מרוכבים לרשתות מיקרופלואידיות נקבוביות תלת מימדיות. הרשתות המיקרופלואידיות מיוצרות על ידי הפקדת דיו נוזלי שכבה אחר שכבה. לאחר מכן ממלאים את החללים הריקים בין החוטים באמצעות שרף בעל צמיגות נמוכה ונרפא האפוקסי העוטף.

לאחר מכן מוציאים את הדיו הנמלט מהמבנה על ידי הנזלת הדיו, ולאחר מכן שטיפת התעלות במים חמים והין. לאחר מכן, הרשתות המיקרופלואידיות הצינוריות המתקבלות חודרות עם תרחיפי ננו מרוכבים המכילים חומרי מילוי ננו ולאחר מכן נרפאים. השלב האחרון הוא ריפוי הקורה המיוצרת וחיתוך החלקים העודפים למידות הרצויות.

בסופו של דבר, נעשה שימוש בטכניקות אפיון מורפולוגיות ומכניות שונות כדי להראות את היכולת של טכניקת הייצור לתכנון מוצרים מקרוסקופיים ננו מרוכבים פונקציונליים. אנו עובדים כבר מספר שנים על פיתוח חומרים מתקדמים, במיוחד ננו מרוכבים מבוססי תרמופלסטיים ותאים תרמופלסטיים. כעת אנו מנסים לדחוף את גבולות השיטה שלנו על ידי בחינת מערכת חומרים חדשה וגם דרכים חדשות לייצור חלקים תלת מימדיים מורכבים.

היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כמו הזרקה, הוא שטכניקת ה-PRI מאפשרת שליטה מספקת על הכיוון התלת מימדי והמיקום של חיזוק צינור הננו במהלך ייצור המוצר לתנאים אופטימליים. טכניקת ייצור גמישה זו משתרעת לקראת ניצול של חומרי הגדרה תרמיים אחרים וחומרי מילוי ננו. מספר יישומים כוללים ניטור בריאות מבנית, מוצרי ספיגת רעידות ומיקרואלקטרוניקה כדי להפוך את הדיו הנמלט להמיס, שעווה מיקרו-קריסטלית וג'לי נפט מעל מערבל מגנטי של פלטה חמה בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס כאשר הוא נמס ומעורבב טען את הדיו לתוך חבית מזרק של שלושה סמ"ק.

התקן פיית סילוק של 150 מיקרומטר על המזרק והתקן את המזרק על מחזיק המזרק של רובוט המחלק. השתמש בתוכנת אקסל כדי לעצב את הנתיב הנע של רובוט המחלק לייצור מבנה הפיגום התלת מימדי הרצוי. מידע זה צריך לכלול את המבנה, המידות, מרווח החוטים, מספר השכבות ומצב ההפעלה-כיבוי של החלוקה בכל מיקום במהלך הייצור.

במקרה זה, המידות הן 60 מילימטרים אורך, 7.5 מילימטרים רוחב ועובי 1.7 מילימטרים עם מרווח אופקי של 0.25 מילימטר בין כל נימה לקוטר נימה של כ -150 מיקרומטר. הגדר את לחץ התצהיר ל-1.9 מגה-פסקל על ווסת הלחץ והגדר את מהירות חלוקת הרובוט ל-4.7 מילימטרים לשנייה. לאחר מכן, הפעל את התצהיר של החוטים מבוססי הדיו על מצע אפוקסי.

התוצאה היא דפוס דו-ממדי, שהוא השכבה הראשונה של פיגום המיקרו. המשך להפקיד שכבות נוספות של פיגום המיקרו על ידי הגדלה רצופה של מיקום Z של פיית החלוקה בכמות השווה לקוטר הנימה. כל שכבה לוקחת כארבע עד חמש דקות ליצור מבנים תומכים עצמיים שהם כמה מאות שכבות שניתן לבנות בצורה זו.

השלב הבא הוא הכנת האפוקסי שישמש לאנקפסולציה. התחל בערבוב השרף והמקשה, ולאחר מכן הסר את תערובת האפוקסי בוואקום למשך 30 דקות. לאחר הסרת הגז, טען את האפוקסי לתוך חבית מזרק של שלושה סמ"ק על ידי הפעלת לחץ שלילי באמצעות מתקן נוזלים.

לאחר מכן הנח זרבובית עם מזהה של 0.51 מילימטרים לתוך חבית המזרק. הנח את פיגום הדיו בשיפוע כדי לעזור לזרימת השרף. לאחר מכן, בעזרת אותו מתקן נוזלים וזרבובית רכובה, הניחו טיפות אפוקסי בקצה העליון של מבנה פיגום השיפוע.

לאחר מכן האפוקסי זורם לחללים הריקים בין החוטים המונעים על ידי כוח הכבידה וכוחות נימיים. המשיכו להניח טיפות אפוקסי על הפיגום עד שהחלל הריק בין חוטי הפיגום יתמלא לחלוטין. הניחו לאפוקסי העוטף להתבצר מראש בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות ולאחר מכן הכניסו את המבנה לתנור לאחר ריפוי ב-60 מעלות צלזיוס למשך שעתיים.

לאחר הריפוי, השתמש במסור מדויק כדי לחתוך את החלקים העודפים של האפוקסי. לאחר מכן קדחו חור בקוטר של כמילימטר אחד בכל קצה המבנה. כדי להגיע לפיגום הדיו, הכנס צינור פלסטיק לכל אחד מהחורים.

השלב הבא הוא הוצאת הדיו הנמלט מהמבנה. התחל בהכנסת הדגימות לתנור בחום של 90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות כדי להנזיל את הדיו. לאחר הוצאת הדגימות מהתנור, יש לשטוף את רשת התעלות על ידי שאיבת מים מזוקקים חמים דרך צינורות הפלסטיק למשך חמש דקות.

לאחר מכן שאב הקסאן דרך הצינורות למשך חמש דקות נוספות כדי להסיר את שאריות הדיו מדפנות התעלה לאחר הסרת הדיו. מה שנותר הוא רשת מיקרופלואידית תלת-ממדית מחוברת, שניתן לאחסן בטמפרטורת החדר עד שיהיה בה צורך. כדי להכין את הננו מרוכבים, הוסף 150 מיליגרם של צינורות ננו פחמן לתמיסה של 0.1 מילי-מולרית של אבץ פרוטו פורפירין תשע פעילי שטח באצטון או בדי כלורו מתאן לריכוז ננו סופי של 0.5 אחוז משקל.

לאחר מכן, סוניקציה של המתלה באמבטיה אולטרסאונד למשך 30 דקות. כדי DB לאגד את אגרגטים של צינורות ננו. מערבבים את שרף האפוקסי או האוריתן עם מתלה צינור הננו על פלטה חמה מערבבת מגנטית בטמפרטורה מעט מתחת לממס.

טמפרטורת רתיחה למשך ארבע שעות היא להניח את תערובת הננו מרוכבת לתוך האולטראס, השמש, האמבטיה והסוניקט תוך חימום בטמפרטורה של 40 עד 50 מעלות צלזיוס למשך שעה. לאחר מכן, מחממים את הננו מרוכב ב-30 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות ולאחר מכן מחממים אותו בוואקום ב-50 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כדי לאדות את הממס הנותר. למחרת.

הניחו בצד חלק מהננו מרוכב בטמפרטורת החדר לשימוש כהשוואה בסיסית לשבירת כל אגרגטים גדולים של צינורות ננו. הגדר את מהירות גליל הסינר של מערבל שלושה גלילים ל-250 סל"ד, החל מפער של 25 מיקרומטר בין הגלילים מעבר לתערובת הננו מרוכבת הנותרת דרך הגלילים חמש פעמים. לאחר מכן התאם את הפער בין הגלילים ל-10 מיקרומטר ובצע חמישה מעברים נוספים לאחר צמצום סופי של הפער לחמישה מיקרומטרים, בצע 10 מעברים נוספים הננו מרוכבים לפני ואחרי המעבר דרך הגלילים מוצגים כאן.

לאחר מכן, הסר את התערובת הסופית על הוואקום שלך למשך 24 שעות באמצעות חומר ייבוש כדי להסיר את בועות האוויר הכלואות במהלך הערבוב. השלב הבא הוא הזרקת הננו מרוכב למכשיר המיקרופלואידי. לאחר הכנסת הננו מרוכבים למתקן הנוזלים, הפעל לחץ שלילי על מתקן הנוזלים, מה שגורם להעמסת הננו מרוכבים לתוך חבית מזרק של שלושה סמ"ק.

חבר זרבובית דקה לתוך חבית המזרק והכנס את הזרבובית לצינורות במיקרופלואידיק. לאחר מכן הגדר את הלחץ על מתקן הנוזלים ל-400 קילו פסקל במידת הצורך, כדי לסייע במילוי הרשת. הפעל לחץ שלילי על צד היציאה של הרשת המיקרופלואידית באמצעות מתקן נוזלים אחר.

לאחר הפעלת הלחץ, הרשת המיקרופלואידית מתמלאת על ידי מתלה הננו מרוכב, שנכנס לרשת דרך צינור הפלסטיק. זמן קצר לאחר ההזרקה, חשפה את הקרניים המרוכבות המלאות בננו מרוכבים לתאורת UV למשך 30 דקות לצורך ריפוי מוקדם. לאחר מכן יש לרפא את הקורות המיוצרות בתנור בחום של 80 מעלות צלזיוס או שעה אחת ואחריה 130 מעלות צלזיוס למשך שעה נוספת.

לאחר חיתוך חלקי האפוקסי העודפים באמצעות לק מסור, הקורות למידות הרצויות, מוצגת כאן תמונה איזומטרית של קרן מחוזקת תלת מימדית מיוצרת. חתך רוחב זה מציג תשע שכבות של חוטי הננו מרוכבים. איור זה מציג תמונת SEM של משטח השבר של קרן מיוצרת ותמונת הגדלה גבוהה יותר של אחד הערוצים המשובצים במיקרופייבר ננו מרוכבים.

מכיוון שלא נראה הדבקה בדופן התעלה, נראה כי האפוקסי שמסביב והחומרים שחדרו דבוקים היטב, ככל הנראה כתוצאה מניקוי נכון של התעלות בהקסאן לאחר הסרת הדיו. לעומת זאת, מוצגות כאן קורות שנשברו במהלך הבדיקה המכנית שבהן לא נעשה שימוש בהקסאן במהלך הסרת הדיו. נצפתה מליטה סיבים כתוצאה מממשק מכני לקוי, שעשוי לנבוע מעקבות דיו נמלטים שנותרו לאחר ניקוי הרשת.

מודול האחסון של דגימות אפוקסי בתפזורת יצוקות המשמשות כאמות מידה, והקורות המחוזקות בתלת מימד מוצגות כאן. הקורות המיוצרות, שהן שילוב של חומרי האפוקסי המשובצים והמקיפים, מציגות תכונות תלויות טמפרטורה מעולות עם נוכחות של כ-0.18 אחוז משקל בלבד של ננו-צינורות פחמן. בדיקת כיפוף תלת נקודתית מראה כי כתוצאה ממיקום ננו-צינורות הפחמן, מודול הכיפוף של הקורות המחוזקות בתלת מימד הראה עלייה של 34% בהשוואה לקורות האפוקסי הטהורות שחדרו.

דגימות האפוקסי בתפזורת המעוצבות מוצגות לעיון. גישת דפוס זו יכולה לשמש למגוון רחב של יישומים, החל ממיקרו-אלקטרוניקה גמישה ועד למבני מאקרו תלת מימדיים שאינם מרוכבים. לממים.

אנו פועלים לקראת דחיפת גבולות הטכניקה הזו על ידי בחינת מערכות חדשות וחומריות, וגם חקירת דרכים חדשות לבנות בתלת מימד כמו הדפסה חופשית בתלת מימד באמצעות ננו מרוכבים מבוססי תרמוסט ותרמופלסטי. תודה.