Mikroakışkan Sızma yoluyla üç boyutlu mikrostrüktürlü nanokompozitlerin İmalat

Bu prosedürün genel amacı, nanokompozitlerin 3D gözenekli mikroakışkan ağlara yönlendirilmiş ve lokalize sızma yöntemiyle aktarılması yoluyla 3D mikro yapılandırılmış kompozit kirişler üretmektir. Mikroakışkan ağlar, sıvı mürekkebin katman katman biriktirilmesiyle hazırlanır. Ardından, filamentler arasındaki boşluklar düşük viskoziteli bir reçine ile doldurulur ve kapsülleyici epoksi kürlenir.

Ardından, mürekkebin sıvılaştırılmasıyla kaçıcı mürekkep yapıdan uzaklaştırılır ve ardından kanallar sıcak su ve heptan ile yıkanır. Sonra, elde edilen boru şeklindeki mikroakışkan ağlar, nano dolgular içeren termoset nanokompozit süspansiyonlarla sızdırılır ve ardından kürlenir. Son adım ise üretilen kirişin kürlenmesi ve fazla kısımların istenen boyutlarda kesilmesidir.

Sonuç olarak, üretim tekniğinin fonksiyonel nanokompozit makroskobik ürünlerin tasarımı konusundaki yetkinliğini göstermek için çeşitli morfolojik ve mekanik karakterizasyon teknikleri kullanılır. Uzun yıllardır ileri malzemelerin, özellikle termoplastik ve termohücre tabanlı nanokompozitlerin geliştirilmesi üzerine çalışmaktayız. Şu an, yeni bir malzeme sistemini ve ayrıca karmaşık 3B parçaların üretimi için yeni yöntemleri inceleyerek metodumuzun sınırlarını zorlamaya çalışıyoruz.

Bu tekniğin enjeksiyon kalıplama gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, PRIs tekniğinin, optimal koşullar için bir ürünün üretimi sırasında nanotüp takviyesinin üç boyutlu yöneliminin ve konumlandırılmasının yeterli düzeyde kontrol edilmesine olanak tanımasıdır. Bu esnek üretim tekniği, diğer termoset malzemelerin ve nanodolguların kullanımına da genişletilebilir. Birçok uygulama arasında yapısal sağlık izleme, titreşim sönümleme ürünleri ve mikroelektronik yer almaktadır. Geçici mürekkebin eritilmesi için mikrokrstaline balmumu ve vazelin, 80 °C sıcaklıktaki bir ısıtıcı tabla manyetik karıştırıcı üzerinde eritilip karıştırıldıktan sonra, mürekkebi 3 cc'lik bir şırınga gövdesine doldurun.

Şırıngaya 150 mikrometrelik bir dağıtım ucu takın ve şırıngayı dağıtım robotunun şırınga tutucusuna monte edin. İstenen 3D iskele yapısının üretimi için dağıtım robotunun hareket yolunu tasarlamak amacıyla bir Excel programı kullanın. Bu bilgiler; yapının boyutlarını, filament aralığını, katman sayısını ve üretim sırasında her konumdaki dağıtımın açık-kapalı durumunu içermelidir.

Bu durumda boyutlar; 60 milimetre uzunluk, 7,5 milimetre genişlik ve 1,7 milimetre kalınlıkta olup, yaklaşık 150 mikrometre filament çapı için her filament arasında 0,25 milimetre yatay boşluk bulunmaktadır. Basınç regülatöründen biriktirme basıncını 1,9 megapaskal olarak ayarlayın ve robot dozajlama hızını saniyede 4,7 milimetreye ayarlayın. Ardından, epoksi bir substrat üzerine mürekkep tabanlı filamentlerin biriktirme işlemini başlatın.

Bu işlem, mikro iskelenin ilk katmanı olan 2 boyutlu bir desenle sonuçlanır. Dağıtıcı nozülün Z konumunu, filament çapına eşit bir miktarda artırarak mikro iskelenin ek katmanlarını yerleştirmeye devam edin. Kendi kendini destekleyen yapılar oluşturmak için her bir katmanın hazırlanması yaklaşık dört ila beş dakika sürer ve bu yöntemle birkaç yüz katmanlı yapılar inşa edilebilir.

Bir sonraki adım, kapsülleme için kullanılacak epoksiyi hazırlamaktır. İşleme reçine ve sertleştiriciyi karıştırarak başlayın, ardından epoksi karışımını 30 dakika boyunca vakum altında gazdan arındırın. Gaz giderme işleminden sonra, bir sıvı dağıtıcı kullanarak negatif basınç uygulayıp epoksiyi üç cc'lik bir şırınga gövdesine doldurun.

Ardından, şırınga gövdesine 0,51 mm iç çaplı bir nozül yerleştirin. Reçinenin akışını kolaylaştırmak için mürekkep iskeleyi eğimli bir konuma getirin. Daha sonra, aynı sıvı dağıtıcıyı ve takılı nozülü kullanarak, eğimli iskele yapısının üst ucuna epoksi damlaları yerleştirin.

Ardından epoksi, yerçekimi ve kılcal kuvvetlerin etkisiyle filamentler arasındaki boşluklara akar. İskele filamentleri arasındaki boşluklar tamamen dolana kadar iskelenin üzerine epoksi damlatmaya devam edin. Kapsülleyici epoksiyi oda sıcaklığında 24 saat boyunca ön kürlenmeye bırakın ve ardından yapıyı 60 °C'de iki saat boyunca son kürleme için fırına yerleştirin.

Sertleşme işleminden sonra, epoksinin fazla kısımlarını kesmek için hassas bir testere kullanın. Ardından, yapının her iki ucuna yaklaşık bir milimetre çapında bir delik açın. Mürekkep iskelete ulaşmak için, deliklerin her birine plastik bir tüp yerleştirin.

Bir sonraki adım, uçucu mürekkebin yapıdan uzaklaştırılmasıdır. Mürekkebi sıvılaştırmak için numuneleri 90 °C sıcaklıktaki bir fırında 30 dakika tutarak işleme başlayın. Numuneler fırından çıkarıldıktan sonra, plastik tüpler aracılığıyla beş dakika boyunca sıcak distile su vakumlayarak kanal ağını yıkayın.

Ardından, mürekkep temizleme işleminden sonra kanal duvarlarındaki kalıntı mürekkep izlerini gidermek için tüpler aracılığıyla beş dakika daha heksan vakumlayın. Geriye kalan, ihtiyaç duyulana kadar oda sıcaklığında saklanabilen birbirine bağlı bir 3D mikroakışkan ağdır. Nanokompozitleri hazırlamak için, nihai nanotüp konsantrasyonu ağırlıkça %0,5 olacak şekilde, aseton veya diklorometan içerisindeki 0,1 milimolar çinko protoporfirin dokuz sürfaktan çözeltisine 150 miligram karbon nanotüp ekleyin.

Ardından, nanotüp agregalarını dağıtmak için süspansiyonu bir ultrasonik banyoda 30 dakika boyunca sonike edin. Epoksi veya üretan reçineyi, çözücü sıcaklığının biraz altındaki bir sıcaklıkta, manyetik karıştırıcılı ısıtıcı tabla üzerinde nanotüp süspansiyonu ile karıştırın.

Dört saat boyunca kaynatma sıcaklığında tutulduktan sonra nanokompozit karışımı ultrasonik banyoya yerleştirilir ve 40 ila 50 °C'de ısıtılırken bir saat boyunca sonikasyona tabi tutulur. Ardından, nanokompozit 30 °C'de 12 saat boyunca ısıtılır ve daha sonra kalıntı çözücüyü uçurmak için vakum altında 50 °C'de 24 saat boyunca ısıtılır. Ertesi gün.

Büyük nanotüp agregatlarını parçalamak için baz karşılaştırma olarak kullanmak üzere nanokompozitin bir kısmını oda sıcaklığında ayırın. Üç silindirli bir karıştırıcının ön silindir hızını 250 RPM'ye ayarlayın; silindirler arasında 25 mikrometre boşlukla başlayarak geri kalan nanokompozit karışımı silindirlerden beş kez geçirin. Ardından silindirler arasındaki boşluğu 10 mikrometreye ayarlayın ve beş geçiş daha yapın. Boşluğun son olarak beş mikrometreye düşürülmesinin ardından, nanokompozitler için 10 geçiş daha gerçekleştirin; silindirlerden geçirilmeden önceki ve sonraki nanokompozitler burada gösterilmektedir.

Ardından, karıştırma sırasında hapsolan hava kabarcıklarını gidermek için nihai karışımı vakum cihazınızda, bir kurutucu kullanarak 24 saat boyunca gazdan arındırın. Bir sonraki adım, nanokompoziti mikroakışkan cihaza enjekte etmektir. Nanokompozitleri sıvı dağıtıcıya yerleştirdikten sonra, sıvı dağıtıcıya negatif basınç uygulayın; bu işlem nanokompozitlerin üç cc'lik bir şırınga gövdesine yüklenmesini sağlar.

Şırınga gövdesine ince bir uç takın ve bu ucu mikroakışkan cihazdaki tüplerin içine yerleştirin. Ardından, ağın dolmasına yardımcı olmak için gerekirse sıvı dağıtıcısını 400 kilo pascal basınca ayarlayın. Başka bir sıvı dağıtıcısı kullanarak mikroakışkan ağın çıkış tarafına negatif basınç uygulayın.

Basınç uygulandığında, mikroakışkan ağ, plastik tüp aracılığıyla ağa giren nanokompozit süspansiyon ile doldurulur. Enjeksiyondan kısa bir süre sonra, nanokompozit dolu kompozit kirişler ön kürleme için 30 dakika boyunca UV ışınımına maruz bırakılır. Ardından, üretilen kirişler fırında önce 80 °C'de bir saat, ardından 130 °C'de bir saat daha son kürleme işlemine tabi tutulur.

Fazla epoksi kısımları bir testere ile kestikten ve kirişleri istenen boyutlara getirmek için cilaladıktan sonra, üretilmiş bir 3D takviyeli kirişin izometrik görüntüsü burada gösterilmiştir. Bu kesit, nanokompozit filamentlerin dokuz katmanını göstermektedir. Bu şekil, üretilmiş bir kirişin kırılma yüzeyinin SEM görüntüsünü ve nanokompozit mikro liflerle doldurulmuş kanallardan birinin daha yüksek büyütmeli görüntüsünü göstermektedir.

Kanal duvarında herhangi bir ayrılma görülmediğinden, çevreleyen epoksi ve infiltre edilen malzemeler, muhtemelen mürekkep temizleme sonrası kanalların heksan ile uygun şekilde temizlenmesinin bir sonucu olarak iyi yapışmış görünmektedir. Buna karşılık, burada mürekkep temizleme sırasında heksanın kullanılmadığı mekanik testler sırasında kırılan kirişler gösterilmektedir. Kötü bir mekanik arayüzün sonucu olarak, ağ temizliğinden sonra kalan kalıcı mürekkep izlerinden kaynaklanabilecek fiber ayrılmaları gözlemlenmektedir.

Kıyaslama noktaları olarak kullanılan kalıplanmış kütle epoksi numunelerinin ve 3D takviyeli kirişlerin depolama modülü burada gösterilmiştir. Gömülü ve çevreleyen epoksi malzemelerin kombinasyonu olan üretilmiş kirişler, sadece yaklaşık ağırlıkça %0,18 karbon nanotüp varlığında üstün sıcaklığa bağlı özellikler sergilemektedir. Bir üç nokta eğme testi, karbon nanotüplerin konumlandırılması sonucunda, 3D takviyeli kirişlerin eğilme modülünün saf epoksi infiltre edilmiş kirişlere kıyasla %34 oranında bir artış gösterdiğini ortaya koymaktadır.

Kalıplanmış dökme epoksi numuneler referans için gösterilmiştir. Bu desenleme yaklaşımı, esnek mikroelektronikten 3 boyutlu kompozit olmayan makro yapılara kadar çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilir. MEMS için.

Termoset ve termoplastik tabanlı nanokompozitler kullanılarak yapılan 3D serbest form baskı gibi 3B yapım yöntemlerini araştırarak ve yeni malzeme sistemlerini inceleyerek bu tekniğin sınırlarını zorlamaya çalışıyoruz. Teşekkürler.