Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie mikrostrukturalnych wiązek kompozytowych 3D poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Sieci mikroprzepływowe są wytwarzane przez osadzanie ciekłego atramentu warstwa po warstwie. Następnie puste przestrzenie między włóknami są wypełniane żywicą o niskiej lepkości, a zamykająca żywica epoksydowa jest utwardzana.

Ulotny atrament jest następnie usuwany ze struktury poprzez upłynnienie atramentu, a następnie mycie kanałów gorącą wodą i heane. Następnie powstałe rurowe sieci mikroprzepływowe są infiltrowane termicznie utwardzalnymi zawiesinami nanokompozytowymi zawierającymi nanowypełniacze, a następnie utwardzane. Ostatnim krokiem jest utwardzenie wyprodukowanej belki i przycięcie nadmiaru części do pożądanych wymiarów.

Ostatecznie stosuje się różne techniki charakterystyki morfologicznej i mechanicznej, aby pokazać zdolność techniki wytwarzania do projektowania funkcjonalnych nanokompozytowych produktów makroskopowych. Od kilku lat pracujemy nad rozwojem zaawansowanych materiałów, w szczególności nanokompozytów termoplastycznych i termokomórkowych. Obecnie staramy się przesunąć granice naszej metody, przyglądając się nowemu systemowi materiałów, a także nowym sposobom wytwarzania złożonych części 3D.

Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak formowanie wtryskowe, jest to, że technika PRI pozwala na wystarczającą kontrolę trójwymiarowej orientacji i pozycjonowania wzmocnienia nanorurki podczas wytwarzania produktu w optymalnych warunkach. Ta elastyczna technika produkcji rozciąga się w kierunku wykorzystania innych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy. Kilka zastosowań obejmuje monitorowanie stanu konstrukcji, produkty pochłaniające drgania i mikroelektronikę Aby ulotny atrament stopił się, wosk mikrokrystaliczny i wazelina przelać na mieszalnik magnetyczny z gorącą płytą w temperaturze 80 stopni Celsjusza po stopieniu i zmieszaniu, załaduj atrament do cylindra strzykawki o pojemności trzech cm3.

Zainstalować dyszę dyspozycyjną o średnicy 150 mikrometrów na strzykawce i zamontować strzykawkę na uchwycie strzykawki robota dozującego. Użyj programu Excel, aby zaprojektować ruchomą ścieżkę robota dozującego w celu wytworzenia pożądanej konstrukcji rusztowania 3D. Informacje te powinny obejmować strukturę, wymiary, odstępy między włóknami, liczbę warstw oraz stan włączania i wyłączania dozowania w każdym miejscu podczas wytwarzania.

W tym przypadku wymiary to 60 milimetrów długości, 7,5 milimetra szerokości i 1,7 milimetra grubości z odstępami poziomymi 0,25 milimetra między każdym żarnikiem dla średnicy żarnika około 150 mikrometrów. Ustaw ciśnienie osadzania na 1,9 megapaskali na regulatorze ciśnienia i ustaw prędkość dozowania robota na 4,7 milimetra na sekundę. Następnie aktywuj osadzanie filamentów na bazie atramentu na podłożu epoksydowym.

W ten sposób powstaje wzór 2D, który jest pierwszą warstwą mikrorusztowania. Kontynuuj osadzanie dodatkowych warstw mikrorusztowania, sukcesywnie zwiększając położenie Z dyszy dozującej o wartość równą średnicy filamentu. Każda warstwa potrzebuje około czterech do pięciu minut, aby stworzyć samonośne konstrukcje, które składają się z kilkuset warstw, które można zbudować w ten sposób.

Kolejnym krokiem jest przygotowanie żywicy epoksydowej, która będzie używana do enkapsulacji. Rozpocznij od wymieszania żywicy i utwardzacza, a następnie odgazuj mieszaninę epoksydową w próżni przez 30 minut. Po odgazowaniu załaduj żywicę epoksydową do cylindra strzykawkowego o pojemności trzech cm3, stosując podciśnienie za pomocą dozownika płynu.

Następnie umieść dyszę o średnicy wewnętrznej 0,51 milimetra w cylindrze strzykawki. Umieść rusztowanie z tuszem pod kątem, aby ułatwić przepływ żywicy. Następnie, używając tego samego dozownika płynu i zamontowanej dyszy, umieść krople żywicy epoksydowej na górnym końcu konstrukcji rusztowania pochyłego.

Żywica epoksydowa następnie przepływa do pustych przestrzeni między włóknami napędzanymi siłą grawitacji i kapilarną. Kontynuuj umieszczanie kropli żywicy epoksydowej na rusztowaniu, aż pusta przestrzeń między włóknami rusztowania zostanie całkowicie wypełniona. Pozostaw kapsułkującą żywicę epoksydową na wstępny zator w temperaturze pokojowej przez 24 godziny, a następnie umieść strukturę w piekarniku do utwardzenia w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez dwie godziny.

Po utwardzeniu użyj precyzyjnej piły, aby odciąć nadmiar żywicy epoksydowej. Następnie wywierć otwór o średnicy około jednego milimetra na każdym końcu konstrukcji. Aby dotrzeć do rusztowania z tuszem, włóż plastikową rurkę do każdego z otworów.

Kolejnym krokiem jest usunięcie ulotnego tuszu ze struktury. Rozpocznij od włożenia próbek do piekarnika w temperaturze 90 stopni Celsjusza na 30 minut w celu upłynnienia tuszu. Po wyjęciu próbek z pieca umyj sieć kanałów, odsysając gorącą wodę destylowaną przez plastikowe rurki przez pięć minut.

Następnie zasysaj heksan przez rurki przez kolejne pięć minut, aby usunąć resztki atramentu ze ścianek kanału po usunięciu atramentu. To, co pozostaje, to połączona sieć mikroprzepływowa 3D, która może być przechowywana w temperaturze pokojowej do czasu, gdy będzie potrzebna. Aby przygotować nanokompozyty, dodaj 150 miligramów nanorurek węglowych do 0,1 milimolowego roztworu Proto porfiryny 9 środka powierzchniowo czynnego w acetonie lub di chlorometanie, aby uzyskać końcowe stężenie nanorurek 0,5 procent wagowych.

Następnie sonikować zawiesinę w kąpieli ultradźwiękowej przez 30 minut. Aby DB połączyć agregaty nanorurek. Wymieszaj żywicę epoksydową lub uretanową z zawiesiną nanorurki na magnetycznej płycie grzejnej z mieszadłem w temperaturze nieco niższej od rozpuszczalnika.

Temperaturę wrzenia przez cztery godziny umieszcza się następnie mieszaninę nanokompozytową w ultrasach, zasysania, kąpieli i sonikacji, podgrzewając w temperaturze od 40 do 50 stopni Celsjusza przez godzinę. Następnie podgrzej nanokompozyt w temperaturze 30 stopni Celsjusza przez 12 godzin, a następnie podgrzej go w próżni w temperaturze 50 stopni Celsjusza przez 24 godziny, aby odparować resztki rozpuszczalnika. Następnego dnia.

Odłóż na bok część nanokompozytu w temperaturze pokojowej do wykorzystania jako porównanie linii bazowej w celu rozbicia wszelkich dużych agregatów nanorurek. Ustaw prędkość rolki fartucha mieszalnika trójwalcowego na 250 obr./min, zaczynając od przerwy 25 mikrometrów między rolkami, mijając pozostałą mieszankę nanokompozytową pięć razy przez rolki. Następnie dostosuj odstęp między rolkami do 10 mikrometrów i wykonaj pięć kolejnych przejść Po ostatecznym zmniejszeniu szczeliny do pięciu mikrometrów wykonaj dodatkowe 10 przejść nanokompozyty przed i po przejściu przez rolki, pokazano tutaj.

Następnie odgazowuj ostateczną mieszaninę w odkurzaczu przez 24 godziny za pomocą środka osuszającego, aby usunąć pęcherzyki powietrza uwięzione podczas mieszania. Kolejnym krokiem jest wstrzyknięcie nanokompozytu do urządzenia mikroprzepływowego. Po umieszczeniu nanokompozytów w dozowniku płynów należy zastosować podciśnienie do dozownika płynu, co powoduje załadowanie nanokompozytów do cylindra strzykawki o pojemności trzech cm3.

Podłącz cienką dyszę do cylindra strzykawki i włóż dyszę do rurek w mikroprzepływowym urządzeniu. Następnie w razie potrzeby ustaw ciśnienie w dozowniku płynu na 400 kilo paskalów, aby wspomóc napełnianie sieci. Zastosować podciśnienie po stronie wylotowej sieci mikroprzepływowej za pomocą innego dozownika płynu.

Po przyłożeniu ciśnienia sieć mikroprzepływowa jest wypełniana zawiesiną nanokompozytową, która wchodzi do sieci przez plastikową rurkę. Wkrótce po wstrzyknięciu należy wystawić wiązki kompozytowe wypełnione nanokompozytem na działanie promieniowania UV przez 30 minut w celu wstępnego utwardzenia. Następnie wyprodukowane belki należy utwardzić w piecu w temperaturze 80 stopni Celsjusza lub jednej godziny, a następnie w temperaturze 130 stopni Celsjusza przez kolejną godzinę.

Po wycięciu nadmiaru części epoksydowych za pomocą pasty do piłowania, belek do żądanych wymiarów, pokazany jest tutaj izometryczny obraz wyprodukowanej belki wzmocnionej 3D. Ten przekrój pokazuje dziewięć warstw włókien nanokompozytowych. Rysunek ten przedstawia obraz SEM powierzchni pęknięcia wytworzonej belki oraz obraz w większym powiększeniu jednego z kanałów osadzonych w mikrowłóknach nanokompozytowych.

Ponieważ na ścianie kanału nie widać odklejenia, otaczająca żywica epoksydowa i infiltrowane materiały wydają się być dobrze przylegające, prawdopodobnie w wyniku prawidłowego oczyszczenia kanałów heksanem po usunięciu atramentu. Dla kontrastu pokazane są tutaj belki uszkodzone podczas prób mechanicznych, w których heksan nie został użyty podczas usuwania atramentu. Obserwuje się odklejanie włókien w wyniku słabego interfejsu mechanicznego, co może być spowodowane nieulotnymi śladami atramentu pozostałymi po czyszczeniu sieci.

Moduł przechowywania formowanych masowych próbek epoksydowych używanych jako punkty odniesienia oraz belki wzmocnione 3D są pokazane tutaj. Wytworzone belki, które są połączeniem osadzonych i otaczających materiałów epoksydowych, wykazują doskonałe właściwości zależne od temperatury przy obecności zaledwie około 0,18 procent wagowych nanorurek węglowych. Test zginania trzypunktowego pokazuje, że w wyniku pozycjonowania nanorurek węglowych moduł zginania belek wzmocnionych 3D wykazał wzrost o 34% w porównaniu z belkami infiltrowanymi czystą żywicą epoksydową.

Formowane próbki epoksydowe luzem są pokazane w celach informacyjnych. To podejście do tworzenia wzorów może być wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach, od elastycznej mikroelektroniki po niekompozytowe makrostruktury 3D. Dla memów.

Pracujemy nad przesunięciem granic tej techniki, przyglądając się nowym i materiałowym systemom, a także badając nowe sposoby budowania w 3D, takie jak druk 3D o dowolnym kształcie przy użyciu termoutwardzalnych i termoplastycznych nanokompozytów na bazie tworzywa sztucznego. Dziękuję.