3D打印/FDM工艺制备导热MWCNT/PLA纳米复合材料

来源 | ACS Applied Nano Materials

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背景介绍

由于高密度功率传输、架构复杂性、小型化、功能化和新技术应用的不断发展，散热成为了高性能计算和电子设备的发展瓶颈。因此，开发创新的高导热材料来解决这一问题具有重要意义，常见的导热填料如氧化铝、氮化硼、氮化铝、氮化硅、金刚石、石墨、金属颗粒、碳纳米管(CNTs)、石墨烯等，已被广泛用于制备聚合物复合材料，以达到期望的性能。

其中，碳纳米管相对于金属纳米填料具有更大的纵横比和灵活性，可以更好地融入聚合物基体中，以满足热管理要求。多壁碳纳米管(MWCNT)的导热系数为2586 ~ 3075 W/(mK) 。然而，在先前的研究中，在聚合物复合材料中加入碳纳米管对热传导或传热能力的增强作用有限。因此，开发一种能够使得碳纳米管在声子传输的潜通道的首选方向上有序排列，以及调整在复合材料中所需的填充位置，这对于实现快速热传导的迫切需求是必不可少的。

3D打印，也被称为增材制造，是一种从3D模型数据一层一层地将材料连接起来制造物体的过程。其中直接墨水直写(DIW)和熔融层积成型(FDM)正在成为制造聚合物纳米复合材料最成功和最广泛使用的工艺。其中FDM方法是一种简单的方法，可以制造几何复杂的三维结构，并可编程宏观和微观结构。3D打印的高纵横比材料可以赋予打印结构特殊的多功能，包括在电气和热管理、能量收集、能量存储和传感等应用中所需要的功能。

3D打印和碳纳米管的结合可以为分层排列的结构编程提供无限的可能性。为了获得高导热性的聚合物纳米复合材料，最需要的是在聚合物基体中加入大量的填料，并控制填料的取向和位置。3D打印能够将填料分布在复合材料中具有所需方向的特定位置，有助于形成导热路径，并在首选方向上提高导热性。

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成果掠影

近期，美国特拉华大学材料科学与工程系的倪超英教授在通过3D打印的方法验证了该工艺对聚合物导热性能的影响。该团队利用3D打印方法制备了MWCNTt填充的聚乳酸(PLA)纳米复合材料。在打印过程中，由于MWCNT/PLA复合长丝与喷嘴壁面之间的剪切力，MWCNTs沿打印方向自发形成对齐结构。XRD结果证实了MWCNTs的对准性。对齐的高填料加载不仅显著促进传热，而且有助于保持加热时结构的完整性。垂直排列的20 wt % MWCNT/PLA纳米复合材料在35℃时的面内导热系数为0.575 W/(mK)，约为水平排列结构(~ 0.218 W/(mK))的2.64倍，在相同温度下约为纯PLA (0.098 W/(mK))的5.87倍。在散热器上进行的红外热成像验证了纳米复合材料与基体聚合物相比的优越性能。在这项研究中，我们实现了MWCNT/PLA的增材制造，同时具有高填充率和显著的导热性改善。这项工作为开发用于热管理相关应用(如散热器或热辐射器)的3D打印碳填料增强聚合物复合材料提出了新思路。研究成果以“Thermally Conductive 3D-Printed Carbon-Nanotube-Filled Polymer Nanocomposites for Scalable Thermal Management ”为题发表于《ACS Applied Nano Materials》。

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图文导读

图1.MWCNT/PLA纳米复合材料FDM工艺制备流程图。

图2.MWCNT/PLA纳米复合材料的微观结构、粘度变化、存储模量和损失模量的示意图。

图3.MWCNT/PLA纳米复合材料的光学结构和微观结构、XRD示意图。

图4.MWCNT/PLA纳米复合材料的TGA、热导率和热管理性能示意图。

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