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我國研究人員創造3D 打印碳新技術！零收縮，可回彈！

文章來源：賢集網更新時間：2024-02-04 16:34:43

隨著新工業時代的來臨，3D打印成為了一種未來材料生產和制造的基礎技術，具有高資源效率以及與智能系統集成的材料設計的特點，提供了普通制造技術無法比擬的優勢。

近年來3D打印技術取得了眾多突破性進展，然而碳材料作為擁有廣泛應用以及巨大潛力的材料種類，他們的3D打印以及相關技術商業化發展有著巨大的瓶頸和復雜的挑戰。這主要是因為碳前驅體的材料一般比較昂貴，以及碳組件在加工過程中的明顯收縮導致最終產品的尺寸難以控制。這些長期存在的技術痛點也導致了3D打印多功能碳材料的商業運用和開發一直很受限。

什么是碳材料

炭材料是主要以煤、石油或它們的加工產物等有機物質作為主要原料經過一系列加工處理過程得到的一種非金屬材料，其主要成分是碳。金剛石、石墨、咔賓、石墨烯、碳納米管、炭/炭復合材料都屬于炭材料。

以下是一些常見的碳材料及其應用和市場前景：

1. 碳纖維：碳纖維是一種高強度高模量纖維，可用于制造飛機、汽車、航天器等高性能民用領域。在國防工業上，也有廣泛的應用。全球高性能碳纖維市場由日本東麗占據主導地位，但未來，隨著我國企業的崛起，有望削弱日本和歐美等國的壟斷地位。

2. 石墨：石墨是一種層狀結構的碳材料，常用于制造電極、電池等能源領域。此外，石墨在橡膠輪胎、電動機械等傳統工業領域也有廣泛的應用。

3. 金剛石：金剛石是一種透明的晶體材料，具有極高的硬度和耐磨性，常用于制造鉆頭、磨料等工具領域。同時，金剛石也是一種重要的半導體材料，未來有望在電子器件領域得到廣泛應用。

4. 碳納米管：碳納米管是一種具有高強度、高韌性和高導電性等特性的納米材料，常用于制造電子器件、儲能材料、催化劑等領域。在大絲束碳纖維市場，美國企業赫克塞爾占據了全球59%的市場份額，德國企業西格里占據了31%的市場份額。

5. 其他碳材料：除了以上幾種主要的碳材料外，還有一些其他種類的碳材料，如炭黑、碳布等，這些材料也在不斷發展中賦予新的功能。

總體來說，碳材料的應用領域十分廣泛，市場前景十分廣闊。隨著科技的不斷進步和人們對環境保護的重視，碳材料的應用領域將會越來越廣泛，市場前景也將越來越廣闊。

3D 打印碳新技術！零收縮，可回彈！

最近，南密西西比大學的強哲教授團隊與天普大學劉嶺教授團隊合作，成功地利用商用聚丙烯（PP）- 碳纖維（CF）填料作為前體的系統來實現3D打印碳材料。非常值得一提的是，這項技術運用低成本的材料和設備，卻首次實現了對碳材料的三維結構，密度，以及力學性能的全可控。強哲團隊發現通過在PP中引入CF可以有效地限制了聚合物前體在轉化為碳的過程中的收縮。當碳纖維含量達到15 wt%時，收縮率小于4%。利用這一優勢，可以成功制備具有可調節材料密度的輕質多孔碳材料。此外，通過簡單地改變加工條件，可以獲得不同機械性能的衍生碳材料。和之前大部分的報道與眾不同的是，這項技術可以制備彈性碳材料。一般而言，碳材料是高強度高硬度的材料典范，現在通過這項最新工作，彈性碳材料的制備進一步豐富了其應用領域。

這項研究的制造方法簡單易行，具有巨大的商業潛力，可用于大規模3D打印碳的制備和加工。

作者采用熔絲制造（FFF）方法，將含有CF的商用PP纖維進行打印，隨后將打印出的樣品在150℃條件下浸泡在濃硫酸中進行交聯。隨后，樣品在氮氣環境中800℃下進行碳化。最終的碳材料展現出極低的尺寸收縮，實現了對碳產物宏觀結構的準確控制。

作者還對碳材料的物理性質進行了表征，發現交聯后的PP衍生出的碳材料具有多孔結構，通過液氮物理吸附實驗得到了證實。壓縮力學測試結果顯示，碳纖維的加入顯著增加了衍生碳的彈性模量和極限強度，并顯示出極高的強度重量比（9600：1）。

重要的是，經過碳化后，所有樣品在平面方向（X和Y方向，沿FFF沉積方向）的收縮平均只有2-4%，在垂直于打印方向的平均方向（Z方向）上為4%，遠低于純凈PP轉化成的碳材料以及之前關于的3D打印高分子轉化成碳的文獻報道。這個優勢是此技術的重大亮點之一。

在此基礎上，作者建立了磺化時間與收縮率、孔隙率和機械性能之間的關系，并利用模擬對衍生碳材料所特有的彈性即可壓縮性能的來源進行了討論，為精準控制衍生碳性能提供了可能。作者發現通過降低反應時間，碳材料可以表現出低密度高孔隙率的特點。也正是因為這些特性，這些碳變得可壓縮可回彈的“柔性材料”，可以達到驚人的50%的可回彈形變。通過模擬發現，材料里面的孔隙度對他們的力學性能有重大的影響。

這項研究提出了一種具有低成本、尺寸穩定性和簡單可擴展制造工藝的碳增材3D打印的制造方法，為材料領域帶來了明顯優勢，并激發了未來各個研究方向。該技術已申請美國專利，相關團隊已著手于技術產業化。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_541476.html
來源：賢集網
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