La stampa 3D di strutture a base di grafene con qualità conduttive ottimizzate

GLI SCIENZIATI DI FAMU-FSU IDENTIFICANO I PARAMETRI IDEALI PER LA STAMPA 3D DI COMPOSITI DI GRAFITE CONDUTTIVA

I ricercatori del FAMU-FSU College of Engineering hanno sviluppato un set di parametri per la stampa 3D di strutture a base di grafene con qualità conduttive ottimizzate.

Dopo una serie di prove, il team ha scoperto che mentre fattori come la pressione di stampa e il diametro dell’ugello influivano sulle proprietà del composito, a velocità specifiche, le sue particelle potevano essere allineate verticalmente. Usando questi parametri come guida, gli scienziati hanno prodotto un materiale con resistenza e conduttività migliorate, rendendolo potenzialmente ideale per l’uso all’interno di applicazioni militari come dissipatori di calore di stampa 3D o schermature.

“Abbiamo scoperto che un’ampia gamma di combinazioni di riempitivi per matrici consente versatilità nelle proprietà del materiale stampato”, ha affermato l’autore principale, il professor Subramanian Ramakrishnan. “Mettendo a punto il modo in cui vengono elaborati, possiamo suggerire linee guida che massimizzano l’efficacia e le prestazioni dei compositi”.

I compositi sono così ampiamente utilizzati nella stampa 3D e sono disponibili così tante combinazioni di riempitivi matrice che gli utenti possono spesso personalizzarli per soddisfare le esigenze specifiche della loro applicazione. Allo stesso modo, le nanopiastrine di grafene (GNP) sono potenzialmente adatte a questo ruolo, grazie alle loro proprietà termiche ed elettriche ottimali e alle proporzioni ideali per il lavoro.

Le resine epossidiche, nel frattempo, sono note per la loro flessibilità e facilità di lavorazione, che potrebbero renderle perfette per la combinazione con GNP per formare materiali di interfaccia termica. Tuttavia, le proprietà di tali compositi dipenderebbero da fattori come la reologia degli inchiostri utilizzati per crearli e la loro concentrazione, aree che non sono ancora del tutto comprese.

Studi precedenti hanno dimostrato che l’uso di Direct Ink Writing (DIW) per la stampa 3D di materiali caricati GNP, induce una forza di taglio sul loro riempitivo, facendo sì che le loro particelle si allineino con l’orientamento della stampa. Come esattamente ciò avvenga e il suo impatto sulla conduttività rimane un po ‘un mistero, quindi il team ha cercato di quantificare i meccanismi esatti del processo.

“Il nostro obiettivo è stampare in 3D compositi conduttivi leggeri e studiare l’effetto delle condizioni di stampa sull’orientamento delle particelle e sulle prestazioni finali del composito”, ha spiegato Ramakrishnan. “La combinazione di resine epossidiche e nanopiastrine di grafene è interessante in diverse applicazioni per l’ aviazione americana “.

Al fine di fabbricare strutture di grafene ottimali, il team ha sviluppato un nuovo inchiostro, in cui includevano concentrazioni di PNL che variavano dal 7% al 18%. Il materiale personalizzato è stato quindi caricato in un sistema nScrypt 3Dn-300 e depositato utilizzando diverse velocità e pressioni per generare il set di dati più ampio possibile.

Una volta che i compositi sono stati stampati e polimerizzati in campioni, la loro resistenza elettrica è stata misurata utilizzando processi a raggi X e microscopia. È interessante notare che i risultati hanno mostrato che gli inchiostri con livelli di PNL superiori al 13% hanno mostrato un maggiore assottigliamento al taglio, producendo campioni con maggiore resistenza e conduttività.

Allo stesso modo, gli scienziati hanno scoperto che l’aumento della velocità di stampa da 5 mm / sa 40 mm / s ha causato un maggiore taglio e ha portato le particelle del materiale a convergere nella direzione della stampa. In effetti, l’effetto è stato così profondo che rispetto alle parti stampate a iniezione con infusione di GNP, i campioni del team erano fino a 619 s / cm più conduttivi.

Nel complesso, i ricercatori ritengono che il loro set di parametri rappresenti un metodo conveniente per controllare l’orientamento delle particelle che potrebbe produrre nuovi nanocompositi polimerici. Inoltre, dato che gli scienziati del laboratorio di ricerca dell’aeronautica statunitense hanno contribuito allo studio, i materiali potrebbero anche trovare applicazioni militari di uso finale come rivestimenti resistenti alla corrosione o persino schermature.

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