Tre-dimensionelle (3D) mikrostrukturerede kompositbjælker er fremstillet gennem instrueret og lokaliserede infiltration af nanokompositter i 3D porøse mikrofluide netværk. Fleksibiliteten af denne fremstillingsmetode muliggør udnyttelsen af forskellige termohærdende materialer og nanofyldstoffer med henblik på at opnå en række funktionelle 3D armerede nanocomposite makroskopiske produkter.
Mikrostruktureret kompositbjælker forstærket med komplekse tredimensionelt (3D) mønstrede nanocomposite mikrofilamenter er fremstillet via nanocomposite infiltration af 3D sammenkoblet mikrofluide netværk. Fremstillingen af armerede bjælker begynder med fremstilling af mikrofluide netværk, hvilket indebærer lag af lag-aflejring af diffus blæk filamenter ved hjælp af en dispensering robot, fylde det tomme rum mellem filamenter med en lav viskositet harpiks, hærdning af harpiksen, og endelig at fjerne blæk. Selvbærende 3D-strukturer med andre geometrier og mange lag (f.eks et par hundrede lag) kan bygges ved hjælp af denne metode. De resulterende rørformede mikrofluide netværk er så infiltreret med termohærdende nanocomposite opslæmninger indeholdende nanofyldstoffer (f.eks single-walled carbon nanorør), og derefter helbredes. Infiltrationen sker ved at anvende en trykgradient mellem to ender af den tomme network (enten ved at anvende et vakuum eller vakuum-assisteret mikroinjektion). Forud for infiltration, er nanocomposite suspensioner fremstilles ved at dispergere nanofyldstoffer i polymermatricer ved hjælp af ultralydbehandling og tre-rulle blande metoder. Nanokompositter (dvs. materialer infiltreret) derefter størknede under UV-eksponering / varmehærdning, hvilket resulterer i en 3D-forstærket kompositstruktur. Teknikken præsenteres her muliggør design af funktionelle nanocomposite makroskopiske produkter til mikroteknik applikationer såsom aktuatorer og sensorer.
Polymer nanokompositter bruger nanomaterialer, især kulstof-nanorør (CNTs) indarbejdet i polymermaterialer har multifunktionelle egenskaber 1 for potentielle applikationer såsom strukturelle kompositter 2, microelectromechanical systemer 3 (f.eks mikrosensorer) og smart polymerer 4. Adskillige procestrin, herunder CNT behandling og nanokomposit blande metoder kan være forpligtet til at ønskeligt sprede CNTs i matricen. Da CNTs 'skærmformat, deres spredning tilstand og overfladebehandling primært påvirke den elektriske og mekaniske ydeevne, kan proceduren nanokompositten behandling varierer afhængigt af ønskede egenskaber til en målrettet anvendelse 5.. Desuden, for specifikke belastningsforhold, tilpasning CNTs langs en ønsket retning, og også placere forstærkninger på ønskede steder muliggøre yderligere forbedring af de mekaniske og / eller elektriske egenskaber af disse nanocomposites.
Et par teknikker såsom forskydningsstrømningen 6-7 og elektromagnetiske felter 8 er blevet anvendt til at tilpasse CNTs langs en ønsket retning i en polymer matrix. Desuden CNT orientering fremkaldt af dimensional begrænsende, specielt i én dimension (1D) og to-dimension (2D), er blevet observeret under behandlingen / dannelsen af nanocomposite materialer 9-11. Men nye forskud på fremstillingsprocesser stadig behov for at give tilstrækkelig kontrol af de tre-dimensionelle (3D) orientering og / eller positionering af nanorør forstærkning under fremstillingen af et produkt til optimale betingelser.
I dette papir, præsenterer vi en protokol til fremstilling 3D-forstærket kompositbjælker via instrueret og lokaliserede infiltration af en 3D mikrofluid netværk med polymer nanocomposite suspensioner (Figur 1). For det første fremstillingen af en 3D sammenkoblet mikrofluidnetværk påvises, hvilket indebærer direkte skrive fremstilling af den diffuse blæk filamenter 12-13 på epoxy substrater (figur 2a og 2b), efterfulgt af epoxy indkapsling (figur 2c) og opofrende farveafrensningsbane (figur 2d). Den direkte skrive metode består af en computerstyret robot, der bevæger en fluiddispenser langs x, y og z akserne (figur 3). Denne teknik giver en hurtig og fleksibel måde at fremstille 3D microdevices for fotoniske, MEMS og bioteknologiske anvendelser (Figur 4). Derefter fremstillingen nanocomposite påvises, sammen med sin infiltration (eller injektion) ind i den porøse netværk under forskellige styret og konstant pres for at fremstille 3D-forstærkede multiscale kompositter (figur 2e og 2f). Endelig er der nogle repræsentative resultater sammen med deres potentielle anvendelser vist.
Den eksperimentelle procedure, der præsenteres her er en ny og fleksibel produktion metode for at skræddersy mekaniske ydeevne af polymer-baserede materialer for materiale konstruktionsmæssige formål. Ved hjælp af denne metode, kunne ønskede egenskaber opnås på grundlag af korrekt valg af komponenter (dvs. infiltrerede materialer og vigtigste matrix) samt engineering kompositkonstruktioner. For det første teknik muliggør fremstillingen af et enkelt materiale, der består af forskellige termohærdende polymerer, der repræsenterer en unik temperaturafhængig funktion, som er anderledes end de komponenter bulks 15. En anden fordel ved den foreliggende teknik i forhold til andre nanocomposite fremstillingsteknik, hvorved nanofyldstoffer er ensartet fordelt gennem hele matrixen er evnen til rumligt placere forstærkninger på ønskede steder i disse 3D-forstærket komposit bjælker. På grund af denne positionering kapacitet, en lavere mængde muligvis dyre nanoder er behov for fyldstoffer at opnå en bestemt mekanisk ydeevne 13.. Da forstærkning mønster adlyder den oprindelige direkte-skrivning af blækket stilladset er filamenterne 'afstand i et givet lag er begrænset til cirka ti gange blæk filamenter diameter på grund af de viskoelastiske egenskaber af diffus blæk. På den anden side kan en lille afstand begrænse strømmen af flydende epoxy under epoxy indkapsling trin. Desuden bør blækket filament diameter være stor nok (f.eks over 50 um) for at lette fremstilling (fx ekstrudering af højviskose blæk) og de efterfølgende fremstillingstrin såsom nanocomposite infiltration ind i mikrofluide netværk.
En anden potentiel af den foreliggende fremgangsmåde kunne være evnen til at tilpasse de enkelte CNTs eller andre nanofyldstoffer i strømningsretningen under forskydningsstrømningen 16 ved nanocomposite infiltration ved højere hastigheder / pres, hvis nanofyldstoffer er godtDispergeret i under nanocomposite blandingsproces. Men en høj grad af tilpasning kun opnås ved meget høje infiltration tryk (på grund af lille kanal diameter), som kan forårsage luftbobler i netværket under infiltration.
Repræsentative optiske billeder i figur 6 viser nanokompositter fremstillet ved blandingsproceduren præsenteres i protokol 2 (to billeder i bunden af figuren). De observerede mørke pletter menes at være nanorør aggregater. For ultralydsbehandlet nanocomposite de micron størrelse aggregater med en diameter på op til ~ 7 um er til stede, mens der observeres en drastisk ændring af størrelsen af aggregaterne (med et gennemsnit på ~ 1 mM) til forskydning blandet nanocomposite. Da nanofiller spredning påvirker de mekaniske og elektriske egenskaber af de fremstillede 3D nanocomposite bjælker, bør en forbedret spredning opnås for at tage den fulde fordel af 3D-positionering af Nanofillers anvender den foreliggende fremstillingsteknik. Derfor er en yderligere undersøgelse er nødvendig for at systematisk at undersøge dispersion stater nanorør og brugen af andre nanofyldstoffer, som lettere kan spredes inden for epoxy matrix.
Den nuværende produktion teknik kan gøre udformningen af funktionelle 3D nanocomposite produkter til mikroteknik ansøgning 17. Teknikken er ikke begrænset til de i denne undersøgelse anvendte materialer. Derfor kan anvendelsen af denne teknik forlænges med udnyttelsen af andre termohærdende materialer og nanofyldstoffer. Blandt flere applikationer, kan strukturelle sundhedsovervågning, vibrationsdæmpning produkter og mikroelektronik nævnes.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne erkender økonomisk støtte fra FQRNT (Le Fonds Quebecois de la Recherche sur la Nature et les Technologies). Forfatterne vil gerne takke den rådgivende støtte af professor Martin Levesque, Prof. My Ali El Khakani og Dr. Brahim Aissa.
Dispensing Robot | I & J Fisnar | I & J2200-4 | – |
Robot software | I & J Fisnar | – | JR-Point Dispensing |
Syringe Barrel | Nordson EFD Inc. | 7012072 | 3cc |
Dispensing Nozzle | Nordson EFD Inc. | 7018225 | Stainless Steel Tip (ID: 0.51 mm) |
Dispensing Nozzle | Nordson EFD Inc. | 7018424 | Stainless Steel Tip (ID: 0.15 mm) |
Fluid Dispenser | Nordson EFD Inc. | HP-7X | – |
Fluid Dispenser | Nordson EFD Inc. | 800 | – |
Live camera | MediaCybernetics | QI, Cool, Color | 12 Bit, Qimaging |
Live Camera Software | Image-pro Plus | – | Version 6 |
Precision Saw | Buehler (IsoMet) | 622-ISF-03604 | Low-Speed Saw |
Flexible plastic Tube | Saint-Gobain PRL Corp. | Tygon 177936 | – |
Stirring hot plate | Barnstead international | SP131825 | – |
Vacuumed-oven | Cole-Parmer | EW-05053-10 | – |
Ultrasonic cleaner | Cole-Parmer | EW-08891-11 | – |
Three-roll mill mixer | Exakt Technologies | Exakt 80E | – |
Dynamic Mechanical Analyzer | TA Instruments | DMA Q800 | – |
UV-lamp | Cole Parmer | RK-97600-00 | Intensity of 21mW/cm² |