基于3D打印的電工電子材料

楊繼全，薛政龍，李 娜，施建平，唐文來，張 鋼

(南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

印制電子成為近年來興起的一種先進(jìn)電子制造技術(shù)，其原理是利用傳統(tǒng)的絲印、噴墨等手段將導(dǎo)電、介電或半導(dǎo)體性質(zhì)的材料轉(zhuǎn)移到基板上，從而制造出電子器件與系統(tǒng)。它具有快速、高效和靈活的特點，并能在各種不同材質(zhì)的基板上形成導(dǎo)電線路和圖形，甚至形成整個印制電路板。將3D打印技術(shù)和印制電子技術(shù)結(jié)合起來是目前研究的一個熱點[1]。

3D打印技術(shù)可以直接成形，簡單方便。印制電子技術(shù)可以大面積、柔性化制造電路，快速靈活。Zheng等[2]研制出桌面式電子電路3D打印機(jī)，同時利用液態(tài)金屬打印具有柔性特性的電子電路。Paulsen等[3]則利用3D打印噴射技術(shù)將導(dǎo)電材料噴射到3D模型表面。Malone等[4]搭建Fab個人打印機(jī)打印電子器件。另外，對于復(fù)雜電路，人們往往希望能在同一塊基材上實現(xiàn)多層電路的打印，可大大節(jié)省使用基材的面積，實現(xiàn)電路的小型化。而多層電路涉及交叉處絕緣材料的選擇和使用，Kim等[5]利用聚己內(nèi)酯(PCL)作為絕緣層打印交叉電路。

隨著3D打印技術(shù)以及材料學(xué)的迅速發(fā)展，新型材料也越來越多，目前有幾種典型導(dǎo)電材料在電工電子領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，下面加以闡述。

1 銀導(dǎo)電墨水

1)銀導(dǎo)電墨水概述[6]。

銀導(dǎo)電墨水主要分為兩類：顆粒型導(dǎo)電墨水和無顆粒型導(dǎo)電墨水。對于顆粒型導(dǎo)電墨水[7]，納米銀顆粒由于容易發(fā)生團(tuán)聚，應(yīng)用于噴墨打印時經(jīng)常會堵塞噴頭，所以為了防止銀顆粒的團(tuán)聚，往往需要加入高聚物作為分散穩(wěn)定劑，但是這又增加了銀導(dǎo)電膜中非導(dǎo)電性物質(zhì)的含量，不利于得到高導(dǎo)電性的銀膜，而且加入分散穩(wěn)定劑也不能從根本上解決噴頭堵塞的問題。因此，無顆粒型導(dǎo)電墨水開始引起人們的關(guān)注。無顆粒型導(dǎo)電墨水主要是將含銀的前驅(qū)體化合物和一些弱還原劑混合，再加入具有一定的黏度、表面張力的調(diào)節(jié)劑等，最終得到適合打印的導(dǎo)電墨水。為了實現(xiàn)在柔性材料上的打印，需要導(dǎo)電墨水的燒結(jié)溫度盡可能低，同時還要具有較高的導(dǎo)電性?？蛇x擇以檸檬酸銀和碳酸銀作為混合金屬前驅(qū)體反應(yīng)物制備無顆粒導(dǎo)電墨水，使其在不耐高溫的柔性基材上也能打印、燒結(jié)得到導(dǎo)電性良好的銀膜。

2)銀導(dǎo)電墨水制備[8-10]。

40 mL甲醇、24 mL異丙醇和34.4 mL異丙胺混合后快速攪拌，當(dāng)攪拌冷卻至室溫后，依次向其中加入16 g檸檬酸銀和1.28 g碳酸銀粉末，繼續(xù)攪拌直至沉淀全部溶解，然后經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，即可得到淺黃色透明的導(dǎo)電墨水。

選用檸檬酸銀和碳酸銀作為混合金屬前驅(qū)體，用異丙胺作為絡(luò)合劑，甲醇作為還原劑，利用異丙醇調(diào)節(jié)黏度和表面張力，成功制備了無顆粒銀導(dǎo)電墨水并對該墨水的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，該導(dǎo)電墨水具有良好的導(dǎo)電性，且銀氨的絡(luò)合不僅增加了難溶性銀鹽的溶解度，且降低了銀鹽的分解溫度，使得該導(dǎo)電墨水可以通過噴墨打印方式打印在不耐高溫的塑料基材上，在130 ℃下熱處理10 min后，方塊電阻可低至0.84 Ω/sq。該墨水有望在電子噴墨打印PCB電路領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

2 導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料

1)導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料概述。

聚乳酸是由乳酸聚合而成，可完全生物降解的塑料，是完全的綠色生態(tài)生物塑料，不消耗化石能源，在醫(yī)藥、醫(yī)療、組織工程等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是，聚乳酸本身韌度較小，結(jié)晶速度較慢，耐熱性較低，限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用，因而常需要進(jìn)行改性和復(fù)合。隨著塑料工業(yè)的迅猛發(fā)展，高分子材料的改性和復(fù)合技術(shù)也日益成熟，開發(fā)了多種聚乳酸的改性和復(fù)合材料，但適用于3D打印的具有導(dǎo)電特性的聚乳酸復(fù)合材料報道不多，下面介紹導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料。

2)導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料制備[11-13]。

將聚乳酸溶解在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的二氯乙烷中；加入碳納米管，并攪拌均勻；加入偶聯(lián)劑，在超聲波作用下攪拌0.5～1 h；蒸發(fā)二氯乙烷，將剩余物在真空干燥箱中干燥成薄片狀，干燥后冷卻，粉碎；將粉碎后的產(chǎn)物按設(shè)定的配方比例稱重，并加入高速混合機(jī)中，高速混合1 min；將混合物加入螺桿擠出機(jī)中熔融混煉，水槽冷卻，拉成直徑為(1.75±0.2) mm的絲條，得到導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料組合物。

其中，制備組合物的各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為：75%～90%的聚乳酸，0.5%～5%的碳納米管，0.01%～0.05%的偶聯(lián)劑，1%～5%的相容劑，0.3%～0.6%的抗氧劑，0.1%～5%的增韌劑，0.5%～2%的成核劑，以及0.5%～2%的增塑劑。上述各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為100%。

3)導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料測試。

導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料的性能見表1。

表1 導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料的性能

從表1可以看出，在聚乳酸中加入碳納米管(實驗組1)及相容劑(實驗組2)、增韌劑(實驗組3)后，復(fù)合材料的導(dǎo)電性和沖擊強(qiáng)度大大提高，成形收縮率明顯下降，同時復(fù)合材料的熔體流動速率高于純聚乳酸(對照組)的熔體流動速率，而且仍然基本保持了復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、彎曲模量和熱變形溫度。

4)導(dǎo)電聚乳酸復(fù)合材料應(yīng)用。

這種制備方法制得的復(fù)合材料的綜合性能大大提高，所制得制品的尺寸穩(wěn)定性增加，從而有利于提高打印制品的精度。特別重要的是，復(fù)合材料的導(dǎo)電性大幅度提高，具有高流動性、快速結(jié)晶性和高韌性，且成形收縮率低、打印精度高，適用于熔融沉積3D打印快速成型，也適用于對導(dǎo)電要求較高的3D打印產(chǎn)品，從而擴(kuò)大了聚乳酸的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 石墨烯材料

1)石墨烯材料概述[14]。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家Geim和Novoselov首次證明石墨烯可以單獨存在，兩人在2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。在十幾年的科學(xué)發(fā)展中，石墨烯的應(yīng)用得到了質(zhì)的飛躍。石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的晶體，具有超薄、超輕、超高強(qiáng)度、高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和透光性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。這些特性使得石墨烯應(yīng)用在印制電子產(chǎn)品中具有很大的優(yōu)勢。高導(dǎo)電性、良好的穩(wěn)定性以及納米片層結(jié)構(gòu)特點都決定了石墨烯可作為優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電填料應(yīng)用于導(dǎo)電墨水中，石墨烯墨水很好地解決了傳統(tǒng)的碳基墨水導(dǎo)電性差的問題，并且在制作上易與打印機(jī)兼容。

2)石墨烯材料制備[15-18]。

3D打印用石墨烯材料的制備目前有兩種方法：液相剝離法和氧化還原法。

液相剝離法制備石墨烯具有儀器設(shè)備簡單、原材料便宜易得、液相體系便于形成石墨烯導(dǎo)電墨水等優(yōu)點。得到的石墨烯片層結(jié)構(gòu)完整，可以很好地保留石墨烯自身的特性。液相剝離法制備石墨烯墨水主要通過溶液剝離和加入表面活性劑分散剝離。劍橋大學(xué)的Torrisi等[19]使用N-甲基吡咯烷酮液相剝離石墨烯。但使用N-甲基吡咯烷酮及松油醇作為溶劑，溶劑沸點高，揮發(fā)慢，導(dǎo)致溶劑殘留在石墨烯的表面，影響墨水的導(dǎo)電性。Li等[20]先將石墨粉加入DMF(二甲基甲酰胺)中剝離成石墨烯，隨后加入沸點不同的松油醇蒸餾，使石墨烯集中到低毒性的松油醇中，再加入少量的乙基纖維素，用于穩(wěn)定石墨烯片層。通過乙醇調(diào)節(jié)墨水的表面張力和黏度，并將最終制得的石墨烯墨水通過打印機(jī)打印到光滑的玻璃基材上。西北大學(xué)的Secor等[21]在室溫下利用乙醇和乙基纖維素剝離石墨烯，得到高濃度納米尺寸的石墨烯粉末，將該粉末與溶劑混合制成墨水，此方法制作的石墨烯薄膜與溶劑或表面活性劑分散的石墨烯墨水相比，導(dǎo)電性提高了兩個數(shù)量級。

氧化還原法制備石墨烯具有成本低、周期短、產(chǎn)量大等優(yōu)點。先用維生素C還原GO(氧化石墨烯)，得到rGO(石墨烯)，然后用Triton-X100(聚乙二醇辛基苯基醚)分散，得到石墨烯墨水，再將其噴印在基材上進(jìn)行還原，得到石墨烯薄膜。這樣可得到還原徹底、導(dǎo)電性能好的石墨烯材料。

3)石墨烯材料應(yīng)用。

石墨烯具有導(dǎo)電性好和載流子密度低的優(yōu)點，以其制作的傳感器具有較高的靈敏度。將石墨烯制成墨水，再通過噴墨印刷的方法得到的傳感器具有優(yōu)異的性能，如靈敏度高、響應(yīng)速度快、恢復(fù)快速、質(zhì)量輕等。

超級電容器從儲能機(jī)理上分為雙電層電容器和贗電容器，是一種新型儲能裝置，它具有功率密度大、充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。由于石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)和出色的固有物理特性，諸如異常好的導(dǎo)電性和大的比表面積，石墨烯基材料在超級電容器中的應(yīng)用具有極大的潛力。將石墨烯墨水用在超級電容器中，也可以大大提高電容器的性能。

目前，石墨烯墨水也應(yīng)用在打印薄膜晶體管中。薄膜晶體管是一個帶有兩層電極材料的四層設(shè)備。薄膜晶體管的遷移率和開關(guān)電流比是其兩個重要的參數(shù)：晶體管的遷移率越大，實際運作速度越快；開關(guān)電流比越大，所驅(qū)動的器件的對比度越好。噴墨打印的方式可以使薄膜晶體管具有較好的分辨率和載流子遷移速率。

4 炭黑基導(dǎo)電復(fù)合材料

1)新型導(dǎo)電復(fù)合材料概述[22]。

為了配制與3D打印機(jī)一起使用的導(dǎo)電材料，選擇導(dǎo)電炭黑(CB)填料。CB是一種無定形碳，由重質(zhì)石油產(chǎn)品如FCC焦油、煤焦油、乙烯裂解焦油和少量植物油的不完全燃燒產(chǎn)生。因此，它容易獲得且價格低。已經(jīng)證明，非晶CB在導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料中是良好的填充材料。當(dāng)填料的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到約25%時，通常會觀察到具有導(dǎo)電填料的復(fù)合材料從絕緣到非絕緣性能的過渡。為了提供復(fù)合材料的可打印熱塑性基體，選擇一種容易獲得的建模塑料——多晶型聚己內(nèi)酯(PCL)。PCL是具有低熔點(約60 ℃)和約260 ℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的可生物降解聚酯。該多晶型物質(zhì)的低溫處理條件有利于其最終形成的復(fù)合材料在3D打印中的應(yīng)用，因為它不需要高溫或昂貴的擠出設(shè)備。

2)新型導(dǎo)電材料制備。

選擇PCL作為可打印的熱塑性基體，以CB作為填充材料，CB的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %時，復(fù)合材料具有良好的打印分辨率和電導(dǎo)率(復(fù)合材料中CB的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %時，該值超過了炭黑聚合物復(fù)合材料滲濾閾值，但CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的復(fù)合材料不符合3D打印機(jī)的噴嘴加熱標(biāo)準(zhǔn))。

3)新型導(dǎo)電材料應(yīng)用。

此類新型導(dǎo)電復(fù)合材料可用于制造Flex傳感器、電容按鈕、“智能”水杯、薄膜電路、立體天線等，在穿戴式設(shè)備、微機(jī)電系統(tǒng)、一體化傳感器等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。

5 MWNTs/ABS導(dǎo)電復(fù)合材料

1)材料概述。

開發(fā)導(dǎo)電復(fù)合材料涉及導(dǎo)電填料在熱塑性樹脂中的分散。在樹脂基體中加入導(dǎo)電填料，使之具有導(dǎo)電、防靜電或電磁屏蔽等功能是比較常見的改性方法。導(dǎo)電填料一般包括碳系材料或金屬系材料粉末等，其中前者主要分為炭黑、石墨、碳纖維以及最新引入的多壁碳納米管(MWNTs)和石墨烯等。ABS是常用的工程塑料，具有強(qiáng)度大、韌度大、易于加工成形等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、建筑等領(lǐng)域。近年來，有關(guān)MWNTs/ABS導(dǎo)電復(fù)合材料的研究越來越多，這主要與MWNTs優(yōu)異的力學(xué)性能、熱性能、電性能、光學(xué)性能、磁性能、介電性能等有關(guān)。

2)材料制備[23-25]。

將ABS 和MWNTs在80 ℃烘箱中干燥12 h，按MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%、8%、10%分別稱取MWNTs和ABS，混合均勻后采用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行共混擠出；擠出物經(jīng)粉碎再作為原料加入雙螺桿擠出機(jī)共混，即第二次擠出，依次最多進(jìn)行4次擠出。選用直徑為1.75 mm的樣品，用于導(dǎo)電和打印測試，MWNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%、8%、10%；以純ABS作為參考樣品，其對應(yīng)的MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%。擠出時控制雙螺桿轉(zhuǎn)速為15～25 r/min，進(jìn)料口壓強(qiáng)為40～50 MPa，出料口壓強(qiáng)為20～40 MPa，各段擠出溫度見表2。

表2 雙螺桿擠出機(jī)擠出溫度設(shè)置

3)材料測試[24-25]。

導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電性與MWNTs在ABS基體中能否形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。當(dāng)MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，多次的擠出混合有利于MWNTs在ABS基體中的均勻分布，促進(jìn)了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，因此對復(fù)合材料的導(dǎo)電性影響顯著；而當(dāng)MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到5%～8%時，導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電性對MWNTs在ABS基體中的分散水平的要求有所降低，2次擠出混合后材料的導(dǎo)電性即接近最高水平，后面的2次擠出對提高材料的導(dǎo)電性作用不大；而當(dāng)MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(> 10%)時，擠出次數(shù)對導(dǎo)電3D打印材料的導(dǎo)電性幾乎沒有明顯的影響。

經(jīng)過4次擠壓混合后，隨著MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)電復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度逐漸增大，但斷裂伸長率變小，表明材料的韌性變差。隨MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料抗拉強(qiáng)度逐漸提高，由純ABS的38.83 MPa提高到48.47 MPa(MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)，提高幅度達(dá)24.8%，表明MWNTs與ABS基體復(fù)合較好，能夠承擔(dān)一定的拉應(yīng)力載荷。隨著MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，MWNTs/ABS導(dǎo)電復(fù)合材料的顯微硬度逐漸增強(qiáng)，由純ABS的234.18 HV提高到262.34 HV (MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)，提高了12%。隨著MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度顯著下降，由純ABS的392.31 J/m2降低為143.02 J/m2(MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)，沖擊強(qiáng)度衰減幅度達(dá)63.5%，材料的韌性明顯變差，一般3D打印件對材料的彈性沒有太高的要求，但是較脆的MWNTs/ABS復(fù)合材料在制作商品級3D打印耗材時往往容易折斷，難以制成質(zhì)量較高的盤絲，無法用于連續(xù)FDM打印。

4)材料應(yīng)用。

采用雙螺桿共混擠出可以使MWNTs均勻地分散于ABS塑料基體中，形成具有抗靜電和導(dǎo)電功能的導(dǎo)電復(fù)合材料。MWNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料的導(dǎo)電性有顯著影響，可通過調(diào)整MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)制成具有不同功能的導(dǎo)電復(fù)合材料。多次擠出有利于MWNTs在ABS基體中的分散，更有利于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。添加MWNTs可顯著影響MWNTs/ABS復(fù)合材料的力學(xué)性能，隨添加量的增加，材料抗拉強(qiáng)度和顯微硬度有所提高，但斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度明顯下降；當(dāng)MWNTs達(dá)到一定量時，復(fù)合材料變硬、變脆，難以批量加工形成3D打印耗材成品。采用最佳條件制備具有抗靜電功能的導(dǎo)電3D打印耗材成品，可滿足商用FDM打印機(jī)對耗材的要求，具有良好的應(yīng)用前景。

6 MWNTs/ PLA復(fù)合材料

1)材料概述。

在塑料工業(yè)中，面對日趨復(fù)雜、多樣的塑料制品的需求，傳統(tǒng)的以注模為主要方式的注射機(jī)難以滿足要求。如今，高分子復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛。而一些特定的例如抗靜電塑料、電磁屏蔽材料、數(shù)字控溫發(fā)熱材料等具有特殊性能的復(fù)合材料就需要使用導(dǎo)電高分子復(fù)合材料(CPCs)。因此，針對導(dǎo)電高分子材料的研究引發(fā)了各界學(xué)者的關(guān)注。導(dǎo)電高分子復(fù)合材料是指將導(dǎo)電填料(如炭黑、碳納米管、碳纖維等)加入單相或多相高分子體系中，制成的具有導(dǎo)電特性的高分子復(fù)合材料。

2)材料制備[26]。

將PLA粒料以及MWNTs粉料加入哈克(HAAKE)密煉機(jī)中，溫度設(shè)定為170 ℃，密煉時間為15 min，螺桿轉(zhuǎn)速為80 r/min。哈克密煉機(jī)使用雙螺桿系統(tǒng)，在一定壓力下能夠使2種或2種以上材料均勻混合，故MWNTs在PLA基材中分散均勻，避免了MWNTs成簇團(tuán)聚現(xiàn)象。完成后使用粉碎機(jī)將塊狀復(fù)合材料粉碎成粉末狀。

3)材料測試。

純PLA聚合物電阻值極大，屬于絕緣體。而加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWNTs后其導(dǎo)電性能也有較大差別。經(jīng)測試，與純PLA聚合物的電導(dǎo)率相比，使用密煉機(jī)方法混合后的MWNTs/PLA復(fù)合材料，MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時電導(dǎo)率有一明顯增量，約為2.1×10-4S/cm，電阻率約為4.76×10-5Ω/m，該復(fù)合材料3D打印制品的電阻值可達(dá)到半導(dǎo)體性能要求，有防靜電效果。而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 的MWNTs的復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達(dá)0.2 S/cm;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MWNTs的復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達(dá)1.6 S/cm，該復(fù)合材料的3D打印制品已可達(dá)到導(dǎo)電體性能要求，滿足可導(dǎo)電制品的使用要求。

運用熔體微分3D打印機(jī)打印二維及三維結(jié)構(gòu)的MWNTs/PLA制品，打印中，擠出絲直徑統(tǒng)一，且運用交叉打印方式成形的制品具有良好的力學(xué)性能，滿足使用要求[27]。將打印長絲接入220 V的傳統(tǒng)白熾燈中，隨著MWNTs在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)電性能明顯提高。MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合材料的打印制品導(dǎo)電性能優(yōu)異，測試結(jié)果表明該打印長絲的導(dǎo)電性能接近單根銅絲的導(dǎo)電性能。該測試更加說明熔體微分3D打印設(shè)備對該可導(dǎo)電復(fù)合材料具有優(yōu)異的加工性能，且該復(fù)合材料完美地呈現(xiàn)出了MWNTs的功能性。

MWNTs/PLA復(fù)合材料的打印實驗表明，該新型熔體微分3D打印設(shè)備具有制備功能性3D打印制品的功能，便于加工有特殊要求的3D打印制品。同時，運用該熔體微分3D打印設(shè)備制作出的三維復(fù)合材料防靜電托盤模型具有良好的力學(xué)性能，滿足一般使用要求；制作出的二維簡單電路圖模型在紙基板上有較強(qiáng)的黏結(jié)性能，滿足使用要求。綜上所述，熔體微分3D打印設(shè)備可完成有特殊要求的3D打印制品的加工制造工作，且制品滿足使用要求，對后期3D打印特殊要求制品(如電路板、防靜電設(shè)備等)具有技術(shù)指導(dǎo)作用。

7 納米銅基導(dǎo)電復(fù)合材料

1)材料概述。

當(dāng)前的3D打印大多只能打印模型自身，還不能制造出包含電子功能的器件，納米銅基3D打印用復(fù)合導(dǎo)電材料將顯著擴(kuò)展3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。納米銅粉分散在具有一定黏度的膠體溶液中，銅粉分布均勻，復(fù)合導(dǎo)電材料穩(wěn)定性好。打印成形后的復(fù)合材料的電導(dǎo)率高，達(dá)到l05S/m數(shù)量級。

2)材料制備[28]。

將α-氨基丙烯酸甲酯與丙酮混合，加入二乙烯三胺，室溫下攪拌，再依次加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷、聚乙炔顆粒，然后加入平均粒徑為50 nm的銅粉，加熱攪拌，冷卻至室溫，得納米銅基3D打印用復(fù)合導(dǎo)電材料。其中，納米銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%，α-氨基丙烯酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%，二乙烯三胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%， γ-氨丙基三乙氧基硅烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%，聚乙炔質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%，丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%。制備的導(dǎo)電材料可在30～40 ℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行3D打印。

3)材料測試。

制備不同比例成分的復(fù)合材料進(jìn)行對照試驗，比例成分見表3。

表3 不同比例成分的復(fù)合材料對照試驗

第一組材料，在30 ℃下進(jìn)行3D打印，成形后材料的密度為3.96 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為76.3 MPa，電導(dǎo)率為4.3×l05S/m。

第二組材料，在40 ℃下進(jìn)行3D打印，成形后材料的密度為2.73 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為142.3 MPa，電導(dǎo)率為1.5×l05S/m。

第三組材料，在35 ℃下進(jìn)行3D打印，成形后材料的密度為2.86 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為119.1 MPa，電導(dǎo)率為1.8×l05S/m。

第四組材料，在30 ℃下進(jìn)行3D打印，成形后材料的密度為2.59 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為96.3 MPa，電導(dǎo)率為1.1×l05S/m。

第五組材料，在30 ℃下進(jìn)行3D打印，成形后材料的密度為3.12 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為137.1 MPa，電導(dǎo)率為3.3×105S/m。

4)材料應(yīng)用。

納米銅基復(fù)合導(dǎo)電材料可制成柔性電路、射頻天線、精細(xì)電極等，在物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴電子產(chǎn)品等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，市場前景廣闊。

8 結(jié)束語

本文介紹了在電工電子領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的7種典型的導(dǎo)電材料，分別從材料的制備、測試及應(yīng)用3個方面加以闡述。以上材料結(jié)合3D打印技術(shù)制作完成的電子電路基本具備導(dǎo)電性能好、分辨率高、制作周期短等優(yōu)點。根據(jù)各材料特性，其所對應(yīng)的應(yīng)用前景十分廣闊。