미세 유체 침투를 통해 세 가지 차원 미세 구조 나노 복합 재료의 제조

이 절차의 전반적인 목표는 나노 복합재를 3D 다공성 미세유체 네트워크로 유도하고 국부적으로 침투하여 3D 마이크로 구조화된 복합 빔을 제조하는 것입니다. 미세유체 네트워크는 액체 잉크를 층별로 증착하여 제작됩니다. 그런 다음 필라멘트 사이의 빈 공간을 저점도 수지를 사용하여 채우고 캡슐화 에폭시를 경화시킵니다.

그런 다음 도망자 잉크를 액화하여 구조에서 제거한 다음 뜨거운 물과 heane으로 채널을 세척합니다. 다음으로, 생성된 관형 미세유체 네트워크는 나노 필러를 포함하는 열경화성 나노 복합 현탁액으로 침투되고 이후에 경화됩니다. 마지막 단계는 제조된 빔을 경화하고 초과 부품을 원하는 치수로 절단하는 것입니다.

궁극적으로, 다양한 형태 및 기계적 특성화 기술이 사용되어 기능성 나노 복합 거시적 제품의 설계를 위한 제조 기술의 능력을 보여줍니다. 우리는 수년 동안 첨단 재료, 특히 열가소성 및 열전지 기반 나노 복합재의 개발에 대해 노력해 왔습니다. 우리는 이제 새로운 재료 시스템과 복잡한 3D 부품을 제조하는 새로운 방법을 모색하여 방법의 경계를 넓히려고 노력하고 있습니다.

사출 성형과 같은 기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 PRI 기술이 최적의 조건을 위해 제품을 제조하는 동안 나노 튜브 보강재의 3차원 방향 및 위치를 충분히 제어할 수 있다는 것입니다. 이 유연한 제조 기술은 다른 열 경화 재료 및 나노 필러의 활용으로 확장됩니다. 여러 응용 분야에는 구조 건전성 모니터링, 진동 흡수 제품 및 마이크로 일렉트로닉스가 포함되며, 비산 잉크를 녹이기 위해 미정질 왁스와 바셀린을 섭씨 80도의 핫 플레이트 마그네틱 믹서를 통해 잉크를 녹이고 혼합할 때 잉크를 3cc 주사기 배럴에 로드합니다.

주사기에 150마이크로미터 배치 노즐을 설치하고 분배 로봇의 주사기 홀더에 주사기를 장착합니다. Excel 프로그램을 사용하여 원하는 3D 비계 구조 제작을 위한 디스펜싱 로봇의 이동 경로를 설계합니다. 이 정보에는 구조, 치수, 필라멘트 간격, 레이어 수 및 제작 중 각 위치에서 디스펜싱의 온-오프 상태가 포함되어야 합니다.

이 경우 치수는 길이 60mm, 너비 7.5mm, 두께 1.7mm이며 필라멘트 직경이 약 150μm인 경우 각 필라멘트 사이에 수평 간격은 0.25mm입니다. 압력 조절기에서 증착 압력을 1.9메가파스칼로 설정하고 로봇 디스펜싱 속도를 초당 4.7mm로 설정합니다. 다음으로, 에폭시 기판에 잉크 기반 필라멘트의 증착을 활성화합니다.

그 결과 마이크로 스캐폴드의 첫 번째 레이어인 2D 패턴이 생성됩니다. 디스펜싱 노즐의 Z 위치를 필라멘트의 직경과 동일한 양만큼 연속적으로 증가시켜 마이크로 스캐폴드의 추가 층을 계속 증착합니다. 각 층은 이러한 방식으로 수백 개의 층을 만들 수 있는 자립형 구조를 만드는 데 약 4-5분이 걸립니다.

다음 단계는 캡슐화에 사용할 에폭시를 준비하는 것입니다. 먼저 수지와 경화제를 혼합한 다음 진공 상태에서 30분 동안 에폭시 혼합물의 가스를 제거합니다. 탈기 후 유체 디스펜서를 사용하여 음압을 가하여 에폭시를 3cc 주사기 배럴에 로드합니다.

그런 다음 ID가 0.51mm인 노즐을 주사기 배럴에 넣습니다. 잉크 비계를 비스듬히 놓아 수지의 흐름을 돕습니다. 그런 다음 동일한 유체 디스펜서와 장착된 노즐을 사용하여 경사 비계 구조의 상단에 에폭시 방울을 놓습니다.

그런 다음 에폭시는 중력과 모세관 힘에 의해 구동되는 필라멘트 사이의 빈 공간으로 흐릅니다. 골격 필라멘트 사이의 빈 공간이 완전히 채워질 때까지 골격 위에 에폭시 방울을 계속 놓습니다. 캡슐화 에폭시를 실온에서 24시간 동안 경화시킨 다음 구조를 오븐에 넣어 섭씨 60도에서 2시간 동안 경화시킵니다.

경화 후 정밀 톱을 사용하여 에폭시의 초과 부분을 절단하십시오. 그런 다음 구조물의 양쪽 끝에 직경 약 1mm의 구멍을 뚫습니다. 잉크 비계에 도달하려면 각 구멍에 플라스틱 튜브를 삽입합니다.

다음 단계는 구조물에서 탈주 잉크를 제거하는 것입니다. 잉크를 액화시키기 위해 섭씨 90도의 오븐에 샘플을 30분 동안 넣는 것으로 시작합니다. 오븐에서 샘플을 꺼낸 후 플라스틱 튜브를 통해 뜨거운 증류수를 5분 동안 흡입하여 채널 네트워크를 세척합니다.

그런 다음 튜브를 통해 헥산을 5분 더 흡입하여 잉크 제거 후 채널 벽에서 잉크의 잔류 흔적을 제거합니다. 남은 것은 상호 연결된 3D 미세유체 네트워크로, 필요할 때까지 실온에서 보관할 수 있습니다. 나노 복합체를 준비하기 위해 아세톤 또는 디클로로 메탄의 아연 프로토 포르피린 9 계면활성제의 0.1밀리몰 용액에 150mg의 탄소 나노 튜브를 첨가하여 최종 나노 튜브 농도를 0.5 중량 %로 만듭니다.

다음으로, 초음파 수조에서 30 분 동안 현탁액을 초음파 처리합니다. DB 번들로 나노 튜브 응집체를 만듭니다. 에폭시 또는 우레탄 수지를 용매보다 약간 낮은 온도의 자기 교반 핫 플레이트 위에 나노 튜브 현탁액과 혼합합니다.

4 시간 동안 끓는 온도는 그 때 40에서 50 섭씨 온도에 1 시간 동안 가열하면서 ultras, sunation, bath 및 sonicate에 나노 복합 혼합물을 위치시킨다. 다음으로, 나노 복합체를 섭씨 30도에서 12시간 동안 가열한 다음 진공 상태에서 섭씨 50도에서 24시간 동안 가열하여 잔류 용매를 증발시킵니다. 다음 날.

큰 나노 튜브 응집체를 파괴하기 위한 기준선 비교로 사용하기 위해 실온에서 나노 복합체의 일부를 따로 보관하십시오. 3롤 믹서의 에이프런 롤 속도를 250RPM으로 설정하고, 롤 사이의 25마이크로미터 간격에서 시작하여 롤을 통해 나머지 나노 복합 혼합물을 5번 통과합니다. 그런 다음 롤 사이의 간격을 10 마이크로 미터로 조정하고 5 회 더 통과 한 후 간격을 5 마이크로 미터로 최종 줄인 후 롤러를 통과하기 전과 후의 나노 복합재를 추가로 10 회 통과 한 다음 작업이 여기에 표시됩니다.

다음으로, 혼합 중에 갇힌 기포를 제거하기 위해 건조제를 사용하여 24시간 동안 진공 청소기에서 최종 혼합물의 가스를 제거합니다. 다음 단계는 나노 복합체를 미세유체 장치에 주입하는 것입니다. 나노 복합재를 유체 디스펜서에 넣은 후 유체 디스펜서에 음압을 가하면 나노 복합재가 3cc 주사기 배럴에 적재됩니다.

미세한 노즐을 주사기 배럴에 부착하고 노즐을 미세유체 장치의 튜브에 삽입합니다. 그런 다음 필요한 경우 유체 디스펜서의 압력을 400킬로 파스칼로 설정하여 네트워크 충전을 지원합니다. 다른 유체 분배기를 사용하여 미세유체 네트워크의 출구 쪽에 음압을 가합니다.

일단 압력이 가해지면, microfluidic 네트워크는 플라스틱 관을 통해서 네트워크에 들어가는 nano 합성 현탁액에 의해 채워집니다. 주입 직후 나노 복합재로 채워진 복합 빔이 사전 경화를 위해 30 분 동안 UV 조명에 노출되었습니다. 그런 다음 제조 된 빔을 섭씨 80도 또는 1 시간 동안 오븐에서 사후 치료 한 다음 130 섭씨 온도에서 또 다른 시간을 수행합니다.

톱 광택제를 사용하여 여분의 에폭시 부품을 절단한 후 빔을 원하는 치수로 절단하면 제조된 3D 강화 빔의 등각 투영 이미지가 여기에 표시됩니다. 이 단면은 나노 복합 필라멘트의 9개 층을 보여줍니다. 이 그림은 제조된 빔의 파괴 표면의 SEM 이미지와 나노 복합 마이크로 섬유가 내장된 채널 중 하나의 고배율 이미지를 보여줍니다.

채널 벽에서 드 본딩이 보이지 않기 때문에 주변 에폭시와 침투된 물질이 잘 접착된 것으로 보이며, 이는 아마도 잉크 제거 후 헥산으로 채널을 적절하게 청소한 결과일 것입니다. 대조적으로, 여기에 표시된 것은 잉크 제거 중에 헥산이 사용되지 않은 기계적 테스트 중에 파손된 빔입니다. 열악한 기계적 인터페이스로 인한 파이버 드 본딩이 관찰되는데, 이는 네트워크 청소 후 남아 있는 비산 잉크 흔적 때문일 수 있습니다.

벤치마크로 사용된 성형된 벌크 에폭시 샘플의 저장 계수와 3D 강화 빔이 여기에 나와 있습니다. 끼워넣어진 에폭시 물자와 포위하는 에폭시 물자의 조합인, 제조된 광속은 단지 대략 0.18 무게 퍼센트 탄소 nanotubes의 존재를 가진 우량한 온도 의존하는 재산을 보여줍니다. 3점 굽힘 시험은 탄소 나노튜브의 위치 결정으로 3D 강화 빔의 굴곡 계수가 순수 에폭시 침투 빔에 비해 34% 증가한 것으로 나타났습니다.

성형된 벌크 에폭시 샘플은 참고용으로 표시됩니다. 이 패터닝 접근 방식은 유연한 마이크로 일렉트로닉스에서 3D 비복합 매크로 구조에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 멤의 경우.

우리는 새로운 재료 시스템을 조사함으로써 이 기술의 경계를 넓히기 위해 노력하고 있으며, 열경화성 및 열가소성 기반 나노 복합재를 사용한 3D 자유형 프린팅과 같은 3D로 구축하는 새로운 방법을 조사하고 있습니다. 감사합니다.