3D蜂窩狀復合材料

哈佛大學Jennifer A. Lewis教授課題組報道了一種3D打印的蜂窩復合材料[3]，其是由納米粘土片摻入填充環氧樹脂構成的。印刷過一種程如圖3a，b所示。他們采用了直接寫入(DW， Direct-Write)技術，首先制備具有流變行為的墨水，通過噴嘴擠出后，以逐層堆積的方式構建結構。剪切變稀行為使得材料能夠通過細小噴嘴擠出，并且使材料具有足夠高的彈性模量和屈服強度以保持其形狀。

圖3.(a)3D打印多孔復合材料的光學圖像;(b)填料取向沉積的示意圖;

(c)填料取向的三角形蜂窩結構的光學圖像。比例尺為500μm。

該實驗將約5wt%的納米粘土加入環氧樹脂中構成粘彈性流體。同時油墨中也填充有磨碎的碳纖維(直徑和平均長度分別為0.65μm和12μm)和碳化硅晶須(直徑和平均長度分別為10μm和220μm)，其可用于進一步改善印刷部件的機械性能。使用直徑為200μm~610μm的噴嘴制造具有約200μm的壁厚和2mm高度(等于20層)的復雜幾何結構。納米復合材料沿著印刷方向排列，這些高縱橫比的纖維顯著影響復合材料的機械性能。圖3c展示出了印刷結構的光學圖像，從中可看出填料的整齊排列。噴嘴內的剪切和拉伸流場被認為是填料取向的原因，這種印刷誘導的取向可以提高機械性能。印刷的復合材料表現出高達約 24.5 GPa的楊氏模量，其接近木材，是最好的商業印刷聚合物復合材料的兩倍，并且比印刷的熱塑性復合材料楊氏模量高一個數量級。

微流體通道和螺旋天線

來自蒙特利爾綜合理工學院的Daniel Therriault等人通過溶劑澆鑄直寫技術(SC-DW)制造了微流體通道和螺旋天線[4]。將聚合物溶液墨水細絲通過微噴嘴擠出，之后快速蒸發溶劑，制得微結構。在溶劑蒸發過程中，由于局部較高的聚合物濃度，長絲的直徑減小并且剛度隨時間逐漸增加。這種剛性梯度使得能夠通過改變擠出噴嘴的移動路徑來產生自支撐彎曲形狀，在新擠出材料的低剛度區域中可發生細絲彎曲。在大部分溶劑蒸發之后，擠出長絲由流體狀態凝固，這有助于沉積的特征的形狀保持。

他們采用熱塑性材料作為犧牲材料來制造復雜的微流體裝置。圖4a顯示了流體填充的微通道的熒光顯微鏡俯視圖和側視圖。該微流體通道通過首先通過SC-DW技術打印PLA螺旋結構。之后將其包裝在環氧樹脂中，并完全固化，將樣品在真空烘箱中加熱，以解聚PLA并制備平滑的微流體通道。

圖4. (a)流體填充微通道的熒光顯微鏡俯視圖和側視圖; (b) 金屬涂覆PLA芯天線的光學顯微鏡圖像

另外，他們還通過SC-DW技術構建了微螺旋天線。通過沉積具有可變螺距的PLA螺旋，隨后濺射~50μm銅層涂層來制造微小螺旋天線(20-30GHz)。圖4b示出了金屬涂覆PLA芯天線的光學顯微鏡圖像。

他們開發的SC-DW技術為微流體等微系統的制備提供了一種低成本，高靈活性的路線。該技術的研究方向在于開發其它油墨(例如，生物基和合成熱塑性塑料，導電和機械自適應納米復合材料)，或者向著亞微米和納米尺度延伸。

全組件3D打印鋰離子電池

來自馬里蘭大學帕克分校的Liangbing Hu等人采用3D打印技術研制了一種新型微電池[5] ，其工作發表在Advance Material上。電池的負極為c (LTO)/GO復合材料，正極為LiFePO4 (LFP)/GO復合材料，電解質為 (PVDF-co-HFP) 和Al2O3納米顆粒的共混物。

其打印過程如圖5所示，油墨從噴嘴在由一個氣動流體分配器控制的噴嘴中以中等速度噴出。由于墨水的粘彈性性質，來自噴嘴的長絲可以連續和均勻地打印出來，并疊層逐層來構建設計結構。首先將陰極和陽極結構印刷在玻璃基，并通過冷凍干燥和熱退火處理去除電極中的溶劑和水并使GO還原;之后將液體電解質(1 M LiPF6 混合在碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯中)注射到電極之間，然后用聚二甲基硅氧烷膜來封裝的。

圖5. 三維印刷交叉電極的示意圖。(a)用LTO / GO油墨打印負極(黑色)，SEM圖顯示電極是多孔的，并且是由氧化石墨烯片組成;(b)用的LFP / GO墨打印的正極結構。印刷陰極和陽極電極構成交叉結構;(c)復合油墨在退火電極之間噴射;(d)電極表面的層-層結構。插圖為Fe元素映射，用以顯示LFP分布;(e)該電極表面SEM放大圖。

在圖5所示的SEM圖中可以看到，LFP / RGO復合材料的表面視圖顯示了電極是由一層層的打印絲構造而成(圖5d)。插圖是鐵(Fe)元素映射，它顯示了LFP納米顆粒在RGO基質中均勻分布。較高放大倍數的圖像(圖5e)顯示了外表面的SEM圖，其表面較為平滑。于此同時，對于電池電性能的研究表明，完整的電池可以提供 117 和 91 mAh g-1的初始充放電容量并表現出良好的循環穩定性。

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