新加坡南洋理工大学周琨教授《Adv. Sci.》：基于多射流熔融3D打印的纳米增强体原位复合

共同第一作者：陈嘉瑶，安冉

通讯作者：周琨*

单位：新加坡南洋理工大学，美国惠普公司

聚合物基纳米复合材料中增强体或功能填料在基体的分散性是决定材料机械性能的重要因素。当前聚合物基复合材料的制造方法（如注塑成型等传统成型加工、3D打印等）主要是通过填料与聚合物基体材料预先混合均匀，然后再进行成型以获得复合材料制件。而在成型过程中以原位可控的方式将填料添加至基体材料中的方式报道较少。因此，如何将填料通过原位复合的有效新策略简化加工步骤，并获得具有纳米填料高分散性、可控分布的复合材料制件具有重要意义。

新加坡南洋理工大学周琨教授团队最近在《Advanced Science》期刊上发表题为“ In Situ Filler Addition for Homogeneous Dispersion of Carbon Nanotubes in Multi Jet Fusion–Printed Elastomer Composites”的文章（DOI: 10.1002/advs.202300593）。针对目前粉床式3D打印热塑性聚氨酯（TPU）制件的力学性能各向异性问题，本文作者基于惠普多射流熔融（Multi Jet Fusion, MJF）技术，提出了一类适用于该热发泡喷墨技术的增韧墨水（Toughening agent，TA），设计并优化其打印工艺，获得了力学性能增强、各向异性显著改善的碳纳米管（CNTs）增强TPU弹性体复合材料。如图1所示， 将含有CNTs的TA替代原有技术的助溶剂，通过设定程序可控地以细小液滴沉降于特定粉末床区域，经过液滴浸润粉末颗粒，CNTs均匀地分布在颗粒表面及缝隙，并在随后红外灯的照射下使粉末吸能熔融成型。

通过增韧墨水配方及打印工艺优化，这种增强体原位复合的CNTs/TPU制件的拉伸强度（11.5 MPa）和韧性（43.9 MJ/m³）相比于使用MJF助溶剂打印的TPU对照组制件平均提高46%和155%。在沿xyz轴三个方向的打印制件中，沿z轴的打印制件力学性能提高最为显著，其拉伸强度和韧性相比于对照组分别提高78%和331%。结果表明本论文报道方法可以显著提高TPU制件的打印层间强度，且力学性能的提升优于目前大部分粉床式3D打印纳米增强TPU复合材料制件。

通过设计不同配方增韧墨水同时喷射，并对其喷墨量、喷墨位置等工艺优化，实现单个制件的力学性能定点可控，获得了可编程形变制件，在软体机器人、智能防护、信息加密等领域具有应用潜力。

In Situ Filler Addition for Homogeneous Dispersion of Carbon Nanotubes in Multi Jet Fusion–Printed Elastomer Composites

该论文共同第一作者为新加坡南洋理工大学博士后研究员陈嘉瑶博士（现为北京化工大学材料科学与工程学院副教授）和新加坡南洋理工大学博士生安冉。

通讯作者为新加坡南洋理工大学的周琨教授。周琨教授课题组依托惠普–南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，主要研究粉末床熔融、定向能量沉积、材料挤出成型等先进增材制造技术，包括功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。