隨著新工業時代的來臨，3D列印成為了一種未來材料生產和製造的基礎技術，具有高資源效率以及與智慧系統整合的材料設計的特點，提供了普通製造技術無法比擬的優勢。近年來3D列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列印以及相關技術商業化發展有著巨大的瓶頸和複雜的挑戰。這主要是因為碳前驅體的材料一般比較昂貴，以及碳元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列印多功能碳材料的商業運用和開發一直很受限。
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）- （CF）填料作為前體的系統來實現3D列印碳材料。非常值得一提的是，這項技術運用低成本的材料和裝置，卻首次實現了對碳材料的三維結構，密度，以及力學效能的全可控。強哲團隊發現透過在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，收縮率小於4%。利用這一優勢，可以成功製備具有可調節材料密度的輕質多孔碳材料。此外，透過簡單地改變加工條件，可以獲得不同機械效能的衍生碳材料。和之前大部分的報道與眾不同的是，這項技術可以製備彈性碳材料。一般而言，碳材料是高強度高硬度的材料典範，現在透過這項最新工作，彈性碳材料的製備進一步豐富了其應用領域。
這項研究的製造方法簡單易行，具有巨大的商業潛力，可用於大規模3D列印碳的製備和加工。
作者採用熔絲製造（FFF）方法，將含有CF的商用PP纖維進行列印，隨後將打印出的樣品在150℃條件下浸泡在濃硫酸中進行交聯。隨後，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。
圖為碳材料的製備過程。
作者還對碳材料的物理性質進行了表徵，發現交聯後的PP衍生出的碳材料具有多孔結構，透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，並顯示出極高的強度重量比（9600：1）。
圖為展示了3D列印碳的複雜結構以及極好的強度。
重要的是，經過碳化後，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%，在垂直於列印方向的平均方向（Z方向）上為4%，遠低於純淨PP轉化成的碳材料以及之前關於的3D列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。
圖描述了衍生碳從列印到碳化的體積收縮表現。
在此基礎上，作者建立了磺化時間與收縮率、孔隙率和機械效能之間的關係，並利用模擬對衍生碳材料所特有的彈性即可壓縮效能的來源進行了討論，為精準控制衍生碳效能提供了可能。作者發現透過降低反應時間，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。透過模擬發現，材料裡面的孔隙度對他們的力學效能有重大的影響。
圖展示了衍生碳材料的可壓縮性質。
這項研究提出了一種具有低成本、尺寸穩定性和簡單可擴充套件製造工藝的碳增材3D列印的製造方法，為材料領域帶來了明顯優勢，並激發了未來各個研究方向。該技術已申請美國專利，相關團隊已著手於技術產業化。
來源：高分子科學前沿
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