Изготовление трехмерно микроструктурированный нанокомпозитов через микрофлюидных инфильтрации

Общая цель этой процедуры заключается в изготовлении 3D микроструктурированных композитных пучков путем направленной и локализованной инфильтрации нанокомпозитов в 3D пористые микрофлюидные сети. Микрофлюидные сети изготавливаются путем нанесения жидких чернил слой за слоем. Затем пустые пространства между нитями заполняются смолой с низкой вязкостью, и инкапсулирующая эпоксидная смола отверждается.

Затем неконтролируемые чернила удаляются из структуры путем разжижения чернил, после чего каналы промываются горячей водой и водой. Затем в полученные трубчатые микрофлюидные сети проникают термореактивными нанокомпозитными суспензиями, содержащими нанонаполнители, и впоследствии отверждают. Заключительным этапом является отверждение изготовленного бруса и резка лишних деталей до нужных размеров.

В конечном счете, различные методы морфологической и механической характеризации используются для демонстрации возможностей производственной технологии для проектирования функциональных нанокомпозитных макроскопических продуктов. Уже несколько лет мы работаем над разработкой передовых материалов, в частности, термопластов и нанокомпозитов на основе термоэлементов. В настоящее время мы пытаемся раздвинуть границы нашего метода, изучая новую систему материалов, а также новые способы производства сложных 3D-деталей.

Основное преимущество этого метода по сравнению с существующими методами, такими как литье под давлением, заключается в том, что метод PRIs позволяет в достаточной степени контролировать трехмерную ориентацию и позиционирование армирования нанотрубками во время производства продукта для оптимальных условий. Эта гибкая технология производства распространяется на использование других термореактивных материалов и нанонаполнителей. Чтобы заставить неконтролируемые чернила плавиться, микрокристаллический воск и вазелин на магнитном миксере с горячей пластиной при температуре 80 градусов Цельсия при плавлении и смешивании загружают чернила в цилиндр шприца объемом три куб. см.

Установите на шприц установочную насадку с усилием 150 микрометров и установите шприц на держатель шприца дозирующего робота. Используйте программу Excel для проектирования траектории движения робота-дозатора для изготовления желаемой 3D-конструкции строительных лесов. Эта информация должна включать структуру, размеры, расстояние между нитями, количество слоев и состояние включения-выключения дозирования в каждом месте во время изготовления.

В этом случае размеры составляют 60 миллиметров в длину, 7,5 миллиметров в ширину и 1,7 миллиметра в толщину с горизонтальным расстоянием 0,25 миллиметра между каждой нитью для диаметра нити около 150 микрометров. Установите давление осаждения на регуляторе давления на 1,9 мегапаскаль и установите скорость дозирования робота на 4,7 миллиметра в секунду. Далее активируйте нанесение нитей на основе чернил на эпоксидную подложку.

В результате получается 2D-шаблон, который является первым слоем микрокаркаса. Продолжайте наносить дополнительные слои микрокаркаса, последовательно увеличивая Z-положение дозирующего сопла на величину, равную диаметру нити. Каждый слой занимает около четырех-пяти минут, чтобы сделать самонесущие конструкции, которые могут быть построены таким образом в несколько сотен слоев.

Следующим этапом будет подготовка эпоксидной смолы, которая будет использоваться для инкапсуляции. Начните со смешивания смолы и отвердителя, а затем дегазируйте эпоксидную смесь под вакуумом в течение 30 минут. После дегазации загрузите эпоксидную смолу в цилиндр шприца объемом три куб. см, применяя отрицательное давление с помощью дозатора жидкости.

Затем поместите в цилиндр шприца насадку с внутренним диаметром 0,51 миллиметра. Поместите чернильный каркас под наклоном, чтобы помочь течению смолы. Затем с помощью того же дозатора жидкости и смонтированной форсунки поместите капли эпоксидной смолы на верхний конец наклонной конструкции лесов.

Затем эпоксидная смола стекает в пустые пространства между нитями, приводимые в движение гравитацией и капиллярными силами. Продолжайте наносить капли эпоксидной смолы на каркас до тех пор, пока пустое пространство между нитями каркаса не будет полностью заполнено. Дайте инкапсулирующей эпоксидной смоле предварительно настояться при комнатной температуре в течение 24 часов, а затем поместите конструкцию в духовку для последующего отверждения при температуре 60 градусов Цельсия на два часа.

После отверждения используйте прецизионную пилу, чтобы вырезать лишние части эпоксидной смолы. Затем просверлите отверстие диаметром примерно по одному миллиметру на каждом конце конструкции. Чтобы добраться до чернильного каркаса, вставьте пластиковую трубку в каждое из отверстий.

Следующим шагом является удаление неконтролируемых чернил с конструкции. Начните с того, что поместите образцы в духовку при температуре 90 градусов Цельсия на 30 минут, чтобы чернила разжижались. После извлечения образцов из печи промойте сеть каналов, всасывая горячую дистиллированную воду через пластиковые трубки в течение пяти минут.

Затем отсасывайте гексан через трубки еще пять минут, чтобы удалить остаточные следы чернил со стенок канала после удаления чернил. Остается только взаимосвязанная 3D-микрофлюидная сеть, которую можно хранить при комнатной температуре до тех пор, пока она не понадобится. Чтобы получить нанокомпозиты, добавьте 150 мг углеродных нанотрубок в 0,1 миллимолярного раствора цинкового протопорфирина девяти поверхностно-активных веществ в ацетоне или дихлорметане, чтобы конечная концентрация нанотрубки составила 0,5 весового процента.

Далее проведите ультразвуковую обработку суспензии в ультразвуковой ванне в течение 30 минут. В пучок DB образуют агрегаты нанотрубок. Смешайте эпоксидную или уретановую смолу с суспензией нанотрубки на магнитной горячей пластине для перемешивания при температуре немного ниже растворителя.

Температура кипения в течение четырех часов заключается в том, что смесь нанокомпозитов помещается в ультрас, солнце, ванну и ультразвук при нагревании до 40-50 градусов Цельсия в течение одного часа. Затем нагрейте нанокомпозит при температуре 30 градусов Цельсия в течение 12 часов, а затем нагрейте его в вакууме до 50 градусов Цельсия в течение 24 часов, чтобы испарить остаточный растворитель. На следующий день.

Отложите часть нанокомпозита при комнатной температуре для использования в качестве базового сравнения, чтобы разбить любые большие агрегаты нанотрубок. Установите скорость рулона фартука миксера с тремя валами на 250 об/мин, начиная с зазора в 25 микрометров между валками и пройдя через оставшиеся нанокомпозитные смеси через рулоны пять раз. Затем отрегулируйте зазор между валками до 10 микрометров и выполните еще пять проходов После окончательного уменьшения зазора до пяти микрометров сделайте еще 10 проходов нанокомпозиты до и после прохождения через ролики показаны здесь.

Затем дегазируйте окончательную смесь в вакууме в течение 24 часов с помощью влагопоглотителя для удаления пузырьков воздуха, попавших в ловушку во время смешивания. Следующим шагом является введение нанокомпозита в микрофлюидное устройство. После помещения нанокомпозитов в дозатор жидкости подайте отрицательное давление на дозатор жидкости, что приведет к загрузке нанокомпозитов в цилиндр шприца объемом три куб. см.

Прикрепите тонкую насадку к цилиндру шприца и вставьте насадку в трубки в микрофлюидном устройстве. Затем установите давление на дозаторе жидкости на 400 килопа паскалей, если это необходимо, чтобы помочь заполнению сети. Подайте отрицательное давление на выходную сторону микрофлюидной сети с помощью другого дозатора жидкости.

После приложения давления микрофлюидная сеть заполняется нанокомпозитной суспензией, которая поступает в сеть через пластиковую трубку. Вскоре после инъекции композитные пучки, заполненные нанокомпозитами, подвергались воздействию ультрафиолетового излучения в течение 30 минут для предварительного отверждения. Затем изготовленные пучки отверждаются в духовке при температуре 80 градусов Цельсия или в течение одного часа, а затем при температуре 130 градусов Цельсия в течение еще одного часа.

После резки излишков эпоксидных деталей с помощью пильной полироли, балок до нужных размеров, здесь показано изометрическое изображение изготовленной 3D армированной балки. На этом поперечном сечении показаны девять слоев нанокомпозитных нитей. На этом рисунке показано СЭМ-изображение поверхности излома изготовленного луча и изображение с большим увеличением одного из каналов, встроенных в нанокомпозитные микроволокна.

Поскольку на стенке канала не видно связывания, окружающая эпоксидная смола и инфильтрированные материалы кажутся хорошо адгезивными, предположительно в результате надлежащей очистки каналов гексаном после удаления чернил. На контрасте показаны лучи, сломанные во время механических испытаний, в которых гексан не использовался во время удаления чернил. Наблюдается склеивание волокон в результате плохого механического интерфейса, что может быть связано с неуловимыми следами чернил, остающимися после очистки сети.

Здесь показан модуль хранения формованных образцов эпоксидной смолы, используемых в качестве эталонов, и армированных 3D балок. Изготовленные балки, представляющие собой комбинацию встроенных и окружающих эпоксидных материалов, демонстрируют превосходные температурно-зависимые свойства с присутствием всего около 0,18 весового процента углеродных нанотрубок. Испытание на трехточечный изгиб показало, что в результате позиционирования углеродных нанотрубок модуль изгиба 3D-армированных балок показал увеличение на 34% по сравнению с чистыми эпоксидными инфильтрированными балками.

Образцы формованной эпоксидной смолы приведены для справки. Этот подход к структурированию может быть использован для широкого спектра приложений, начиная от гибкой микроэлектроники и заканчивая 3D-некомпозитными макроструктурами. Для мемов.

Мы работаем над расширением границ этой техники, изучая новые системы материалов, а также исследуем новые способы встраивания в 3D, такие как 3D-печать свободной формы с использованием термореактивных и термопластичных нанокомпозитов. Спасибо.