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喷嘴形状导向填料取向的3D打印纳米复合材料

喷嘴形状导向填料取向的3D打印纳米复合材料

供稿人:杨春成、李涤尘   发布日期:2018-11-12
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纳米复合材料中填料的取向排布不仅会影响材料的导电或介电性能,还影响材料的力学性能。近日,西蒙弗雷泽大学的Taeil Kim等学者,从制造过程的角度出发,提出一种通过改变挤出机末端喷嘴形状进而控制填料取向的技术,如图1所示。

图1 圆形喷嘴(左)和扁平喷嘴(右)挤出诱导填料取向示意图

文章采用高纵横比的纳米银线(AgNWs)作为纳米填料,结果表明,圆形喷嘴挤出材料中的AgNWs基本沿挤出方向排列,而扁平形喷嘴挤出材料中的AgNWs则随机分布。如图2所示,圆形喷嘴挤出材料中的大部分AgNWs(~75%)与挤出方向一致,显示为点图像;而扁平形喷嘴挤出材料中的大部分AgNWs(~75%)随机分布,显示为线图像。

图2 圆形(a、c)及扁平形(b、d)挤出材料的填料分布图像

为解释不同形状喷嘴下填料的取向不同的原因,文章模拟了材料不同挤出过程中的速度剖面图。如图3,圆形喷嘴在不同位置的挤出速度偏差较小而扁平形喷嘴在不同位置的挤出速度偏差较大,认为这是造成填料取向差异的主要原因。

图3挤出过程模拟。圆形 (a)和扁平形(b)喷嘴挤压流体的速度剖面及喷嘴出口处流体的平均速度

在AgNWs含量相同的条件下,比较了由不同形状喷嘴挤出材料的电学性能。填料含量较低(0.2%)时,挤出喷嘴形状对材料的介电性能几乎没有影响,而填料含量较高(1.6%)时,通过圆形喷嘴挤出材料的介电常数比扁平形喷嘴挤出材料高出30%左右,见图4。

图4 不同形状喷嘴挤出材料的介电性能

参考文献:

  1. Kim T, Trangkanukulkij R, Kim W S. Nozzle Shape Guided Filler Orientation in 3D Printed Photo-curable Nanocomposites[J]. Sci Rep, 2018, 8(1).