《Diamond and Related Materials》：3D printing of functional 3D structures made of carbon nanotube buckypapers via laminated object manufacturing
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摘要专业翻译
增材制造在需要功能材料的应用中已获得广泛关注。在本研究中，研究人员制备了一种功能化碳纳米管（CNT）复合材料巴基纸（BP），并将其集成到层压物体制造（LOM）工艺中。研究人员采用混合流延–真空抽滤法制备了不同CNT含量的CNT BP，其中70 w
摘要专业翻译
增材制造在需要功能材料的应用中已获得广泛关注。在本研究中，研究人员制备了一种功能化碳纳米管（CNT）复合材料巴基纸（BP），并将其集成到层压物体制造（LOM）工艺中。研究人员采用混合流延–真空抽滤法制备了不同CNT含量的CNT BP，其中70 wt% CNT BP在所测试条件下实现了成功打印。这些BP通过三维打印（3DP）和手动堆叠（MS）两种技术被构造成3层和5层结构。研究人员对结构、形貌、力学、电学和电磁干扰屏蔽性能进行了对比分析。3DP结构保持了56 wt%的CNT含量，并由于受控的粘合剂施加和加工载荷而表现出改善的结构均匀性。尽管与MS结构（20.8 MPa和24.6 MPa）相比，3DP结构的拉伸强度略低（3层和5层3DP结构分别为13.5 MPa和15.4 MPa），但3DP样品表现出更高的杨氏模量（372 MPa和388 MPa），高于相应的MS结构（295 MPa和233 MPa）。CNT BP的面内电导率约为45 S/cm，而3DP结构的方阻约为1.06至1.10 Ω/sq，相比之下MS结构为1.92至2.34 Ω/sq。此外，电磁干扰（EMI）屏蔽效能从单层CNT BP的约42 dB增加到3层和5层3DP结构的65 dB和95 dB。本研究引入了一种基于LOM的新方法，用于制造高填料含量功能复合材料，适用于EMI屏蔽及未来的先进应用。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
三维打印作为一种增材制造技术，自1986年Charles Hull发明以来，经历了材料与工艺的持续革新，应用领域已从早期的原型制作拓展至规模化生产。在众多增材制造工艺中，片材层压是一种通过堆叠和层压薄片材料（如纸、塑料或金属薄片）并借助激光切割或机加工形成最终形状的制造方法。层压物体制造（LOM）是片材层压的代表性工艺之一，包含先切后粘和先粘后切两种主要生产方式。现代LOM设备已从手动堆叠发展为连续送料系统，并采用激光和先进传感器优化层定位，显著提升了效率与设计自由度。
然而，传统LOM使用的纸质原料通常缺乏功能特性，这严重限制了其在功能器件领域的应用。与此同时，导电填料在复合材料中的应用日益广泛，涵盖电磁干扰（EMI）屏蔽、储能、电子器件和生物医学等领域。碳纳米管（CNT）凭借其高电导率、优异的力学性能、化学稳定性和EMI屏蔽能力，成为最具吸引力的导电填料之一。CNT能够在聚合物基体中形成三维导电网络，在较低填料含量下即可实现优异的性能增强。
尽管熔融沉积成型、立体光刻和选择性激光烧结等三维打印技术已被广泛研究，但关于高填料含量复合材料的三维打印研究仍十分有限。目前尚未有研究尝试利用LOM三维打印技术制造含有导电填料的三维结构。因此，本研究旨在开发一种基于LOM的新型方法，以碳纳米管巴基纸（CNT BP）作为功能化片材原料，实现高填料含量功能复合材料三维结构的制造。
二、研究内容与总体结论
研究人员采用混合流延–真空抽滤（TC–VF）方法制备CNT BP，并将其作为LOM三维打印的原料，成功打印了3层和5层三维结构。通过与手动堆叠（MS）结构的系统对比，研究人员评估了两种制造方法在结构、形貌、力学、电学和EMI屏蔽性能方面的差异。研究结果表明，三维打印（3DP）结构具有更好的结构均匀性和更高的杨氏模量，而MS结构在拉伸强度方面略占优势。3DP结构在电学性能和EMI屏蔽效能方面表现更为优异，5层3DP结构的EMI屏蔽效能达到95 dB，远高于单层CNT BP的42 dB。该研究首次证明了利用LOM技术制造高填料含量功能复合材料的可行性，为EMI屏蔽及未来先进应用提供了新途径。
三、关键技术与方法
研究人员采用的主要技术方法包括：混合流延–真空抽滤（TC–VF）法制备CNT BP，该方法结合了流延成型可制备大面积连续薄片的优势和真空抽滤可实现均匀致密沉积的特点，制备出42 cm × 27 cm的大尺寸巴基纸；LOM三维打印技术，使用CleanGreen3D CG-1打印机，通过粘合剂涂布和热压实现层间结合，利用切割头按CAD设计逐层切割成型；手动堆叠（MS）对比方法，采用相同的粘合剂进行层间粘合，作为评估LOM打印可行性和性能的基线；以及材料表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）观察形貌、万能试验机进行拉伸测试、四探针法测量方阻和电导率、波导法结合网络分析仪测试EMI屏蔽效能。
四、研究结果
3.1 巴基纸的可打印性
研究人员通过改变羧甲基纤维素（CMC）溶液浓度（0.6 g/L至2 g/L）制备了不同CMC/CNT配比的CNT BP，并采用五层测试构建评估打印性。结果表明，只有70 wt% CNT含量（对应特定CMC浓度）的巴基纸在测试条件下实现了完全成功打印，即五层全部完整切割并粘合，无撕裂或分层现象。其他配比的巴基纸出现撕裂、分层或无法粘合等问题，被判定为失败或部分成功。这一结果表明，CNT与CMC的比例对巴基纸的力学完整性和打印适应性具有决定性影响。
3.2 结构表征
3DP结构的CNT含量保持在56 wt%，而MS结构的CNT含量为70 wt%，差异源于3D打印过程中粘合剂的受控施加。3DP结构表现出更好的结构均匀性，这归因于打印过程中粘合剂的精确控制和一致的加工载荷。MS结构由于手动操作的不一致性，层间厚度和粘合剂分布存在较大波动。光学显微镜和SEM观察证实了3DP结构具有更均匀的层间界面和更少的缺陷。
3.3 力学性能
拉伸测试结果显示，MS结构的拉伸强度（3层和5层分别为20.8 MPa和24.6 MPa）高于3DP结构（3层和5层分别为13.5 MPa和15.4 MPa），这主要归因于MS结构中更高的CNT含量。然而，3DP结构的杨氏模量（3层和5层分别为372 MPa和388 MPa）显著高于MS结构（3层和5层分别为295 MPa和233 MPa），表明3DP结构具有更高的刚度和更好的载荷传递效率。初步力学测试还显示，手动堆叠结构的拉伸强度在五层后开始下降，并在约二十层时趋于平台，因此本研究将对比限制在五层以内。
3.4 电学性能
CNT BP的面内电导率约为45 S/cm。3DP结构的方阻约为1.06至1.10 Ω/sq，显著低于MS结构的1.92至2.34 Ω/sq，表明3DP结构的电学性能更优。这一改善归因于3D打印过程中粘合剂的均匀分布和受控施加，减少了层间界面的电阻。由于四探针法无法完全捕捉多层结构中因粘合剂存在而产生的各向异性厚度方向导电性，电导率计算仅限于单层CNT BP。
3.5 电磁干扰屏蔽性能
EMI屏蔽效能测试在X波段（8.2至12.4 GHz）进行。单层CNT BP的屏蔽效能约为42 dB，3层3DP结构提升至65 dB，5层3DP结构达到95 dB。屏蔽效能的显著提升归因于多层结构中CNT导电网络的叠加效应和多次反射损耗的增加。根据Simon公式的理论计算与实验结果相吻合，证实了多层结构在EMI屏蔽方面的协同增强效应。
五、讨论与结论
讨论部分指出，3DP结构虽然CNT含量低于MS结构，但在结构均匀性、杨氏模量和电学性能方面表现更优，这得益于LOM打印过程中粘合剂的精确控制和一致的加工载荷。EMI屏蔽效能的显著提升表明，多层CNT BP结构通过增加导电层数和优化层间界面，实现了高效的电磁波衰减。该研究首次证明了LOM技术在高填料含量功能复合材料制造中的可行性，突破了传统三维打印技术在填料含量方面的限制。研究结论指出，这种基于LOM的新型方法为制造高性能EMI屏蔽材料和未来先进功能器件提供了新的技术路径，具有重要的学术价值和应用前景。
