基于正交試驗(yàn)的CNT/PDMS 復(fù)合材料直寫打印參數(shù)優(yōu)化

陸晗婧，陳志剛，2，李雅芳，肖 洋

（1.邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000；2.高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引言

由于碳納米管（CNT）具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）價(jià)格便宜、力學(xué)性能好，能作為柔性電極基底材料。越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，將其應(yīng)用于各種領(lǐng)域。Wang 將石墨烯和PDMS 混合制備出能夠檢測(cè)不同外界壓力以及溫度的傳感器[1]。Fu 等利用CNT 和PDMS 混合制備了一種“三明治”結(jié)構(gòu)的可識(shí)別手指彎曲活動(dòng)的壓阻式傳感器，制作簡(jiǎn)便，成本也低廉[2]。自MWCNTs/PDMS 導(dǎo)電復(fù)合材料被制備成壓阻應(yīng)變傳感器應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以來(lái)，單壁碳納米管薄膜[3]、多壁碳納米管薄膜[4]、碳纖維束[5]、碳納米管和聚合物的復(fù)合材料[6-7]等作為傳感器材料在感測(cè)壓力變化領(lǐng)域的研究上得到越來(lái)越多學(xué)者的重視。

由于直寫打印技術(shù)可以根據(jù)打印需求配制墨水，材料限制性小，還可以通過材料本身屬性以控制打印精度，并且可以控制打印器件的材料成分、組成結(jié)構(gòu)，從而使打印器件的功能得到優(yōu)化[8]。Chen 等將直寫打印技術(shù)應(yīng)用于碳化硅/碳纖維陶瓷復(fù)合材料的制造中[9]。Xu 等將直寫打印技術(shù)應(yīng)用到CNT/PDMS 復(fù)合材料的制造中，驗(yàn)證了該材料的可打印性，為后續(xù)該材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造以及在柔性傳感電子設(shè)備中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[10]。故選擇使用直寫打印的方式進(jìn)行CNT/PDMS復(fù)合材料的打印。而打印參數(shù)的設(shè)置會(huì)影響打印的平整度，繼而影響其傳感性能，故通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行打印參數(shù)的優(yōu)化。

探討所使用的直寫打印平臺(tái)，配制了CNT/PDMS的打印墨水以及對(duì)打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后選取了打印速度、掃描間距和層厚三個(gè)因素為主要影響因素，選取了各因素具有代表性的三個(gè)水平進(jìn)行了正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，通過極差和方差的分析獲得了最優(yōu)打印參數(shù)，旨在獲得較為平整的打印效果及為后續(xù)傳感性能的優(yōu)化作參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要使用超聲波清洗機(jī)、磁力攪拌器、直寫打印平臺(tái)以及鼓風(fēng)干燥箱。下面主要介紹直寫打印平臺(tái)。

直寫打印平臺(tái)包含四部分：材料擠出系統(tǒng)、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制面板和成型平臺(tái)。

圖1 直寫打印平臺(tái)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

先配制CNT/PDMS 打印墨水，利用Solidworks 軟件建模再用切片軟件進(jìn)行切片后，設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行復(fù)合材料的打印，測(cè)量各個(gè)試樣的寬度和厚度，再經(jīng)過正交試驗(yàn)找出最優(yōu)水平組合的打印參數(shù)以得到表面平整度好的材料。

1.2.2 打印墨水的配制

碳納米管（CNT）的導(dǎo)電性好，機(jī)械性能也較為穩(wěn)定，可以用作流變改性添加劑，PDMS 作為柔性材料，便宜、容易加工、力學(xué)性能好，能作為柔性電極基底材料。由于異丙醇能與CNT 親和且與PDMS 互溶，且異丙醇和CNT 與PDMS 分別超聲分散后并不會(huì)發(fā)生分層，有良好的分散效果。

如圖2 所示，先在燒杯中加入異丙醇再混合碳納米管，密封后進(jìn)行超聲分散；再加入PDMS A 組分，攪拌至基本溶解再進(jìn)行超聲分散；把混合溶液進(jìn)行磁力攪拌，溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置為400 r/min，直至異丙醇基本揮發(fā)，攪拌時(shí)不可轉(zhuǎn)速設(shè)置過高，否則會(huì)導(dǎo)致CNT 含量減小。最后加入PDMS B 組分并攪拌均勻，得到CNT/PDMS 打印墨水。

圖2 配置CNT/PDMS 墨水流程圖

1.2.3 打印結(jié)構(gòu)的制作

利用SOLIDWORKS 繪制一個(gè)20 mm × 20 mm ×1.8 mm 長(zhǎng)方體打印模型，以STL 格式進(jìn)行保存，再利用切片軟件進(jìn)行打印參數(shù)設(shè)置，將設(shè)置好的文件以G代碼形式導(dǎo)出。然后利用空氣壓縮機(jī)調(diào)整直寫打印平臺(tái)在打印時(shí)的擠出氣壓，調(diào)整打印速度、掃描間距和層厚，使用內(nèi)徑為0.45 mm 的卡口塑鋼平頭針管來(lái)打印材料。

1.2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全部試驗(yàn)中挑選出部分均勻分散、齊整可比的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

為了提高材料的表面平整度和傳感性能，選擇一個(gè)合適的擠出壓力，再分析打印速度、層厚及掃描間距對(duì)表面寬度及厚度的影響。故本實(shí)驗(yàn)設(shè)置打印速度、掃描間距和層厚作為正交試驗(yàn)的3 個(gè)主要影響因素，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，各因素均取3 個(gè)代表值，進(jìn)行9 組實(shí)驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

本文章主要針對(duì)繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育管理下的教育改革以及調(diào)整進(jìn)行分析，問題主要集中于專業(yè)人才供需結(jié)構(gòu)以及數(shù)量的不平衡、人才培養(yǎng)機(jī)制不健全以及政府宏觀調(diào)控欠缺等，這些都影響到就業(yè)結(jié)構(gòu)的矛盾深化，甚至影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展。故此，提出了相關(guān)的解決途徑，結(jié)合21世紀(jì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)科技的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了要完善人才資源配置的宏觀調(diào)控等措施。希望可以通過這些分析，能夠有效地幫助減少甚至化解我國(guó)就業(yè)的結(jié)構(gòu)性矛盾，促進(jìn)我國(guó)教育事業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2 影響打印試樣平整度的因素

2.1 擠出氣壓

由于打印針管中的復(fù)合材料需要一定壓力才能順利擠出，故需要經(jīng)過調(diào)整找到一個(gè)合適的擠出氣壓，才能保證打印時(shí)出絲順暢，線條一致，結(jié)構(gòu)立體。若擠出氣壓過小，則打印墨水可能無(wú)法擠出，或絲線過細(xì)、擠出墨水不連續(xù)；若擠出氣壓過大，則絲徑過大，可能形成堆積。

將擠出氣壓設(shè)置在150 ～300 kPa 之間，采用0.45 mm 徑口的針頭進(jìn)行打印作線寬的對(duì)比，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)氣壓越大則材料擠出越多，絲線發(fā)生纏繞，線寬越寬，反之。當(dāng)擠出氣壓為150 kPa 時(shí)，材料擠出及成型困難，絲線極細(xì)且易斷；當(dāng)擠出氣壓為300 kPa時(shí)，絲線寬度過寬，材料發(fā)生堆疊，由于結(jié)構(gòu)塌陷整體打印形狀擴(kuò)大；當(dāng)擠出氣壓為200 kPa 時(shí)，線寬為0.48 mm，接近于針頭直徑，故選擇200 kPa 的擠出氣壓進(jìn)行打印。

圖3 擠出氣壓對(duì)線寬的影響

2.2 打印速度

打印速度決定了在打印時(shí)針管移動(dòng)的速度。打印速度越大，則線寬越小，但是速度過快會(huì)導(dǎo)致在拐彎處材料被帶走，成為一條直線，無(wú)法順利拐彎，影響整體形狀的形成；打印速度越小，則線寬越大，并且打印的線條可能會(huì)發(fā)生彎曲，甚至堆積在一處。所以為了保證打出流暢且成型效果好的線條，要保證速度適中。

2.3 掃描間距

掃描間距的大小對(duì)打印平面的平整度存在影響，也會(huì)影響打印網(wǎng)孔電極及搭橋?qū)挾饶芊癯晒?。掃描間距越小，則絲線越容易產(chǎn)生堆積，豎直方向上高度會(huì)過高，水平方向上長(zhǎng)寬會(huì)擠壓擴(kuò)大，難以跨距打印結(jié)構(gòu)；掃描間距越大，則絲線間的距離越遠(yuǎn)，可能出現(xiàn)端部接觸但頂部之間留有空隙或是絲線之間存在空隙，這種情況會(huì)導(dǎo)致無(wú)法形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，影響材料導(dǎo)電性。

在顯微鏡下觀察打印絲徑為0.45 mm 的絲線橫截面如圖4（a）所示。由于截面形狀接近于半個(gè)橢圓，兩側(cè)還有往外擴(kuò)展的裙邊，故將橫截面分為兩個(gè)區(qū)域，分別為半橢圓區(qū)及裙邊區(qū)，利用CAD 對(duì)其進(jìn)行尺寸標(biāo)注，絲徑寬度D= 2L + d，其中L為裙邊長(zhǎng)，d為半橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)。半橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)、裙邊長(zhǎng)及截面高度比為的d∶L∶H= 695∶150∶336。如圖4（b）所示，若掃描間距T等于絲徑橫截面寬度D，則線條之間只是剛好互相接觸，打印平面時(shí)表面不平整，會(huì)有間隙，導(dǎo)電性也不好；若掃描間距過小，則在打印時(shí)絲線會(huì)互相堆疊，影響絲線整體成型，并且結(jié)構(gòu)容易發(fā)生塌陷。如圖4（c）所示，若掃描間距T = d + L，則僅相鄰兩絲線的單側(cè)裙邊互相重合，整體形狀保持較好，間距也適中，不會(huì)影響導(dǎo)電性能，T∶D=（d+L）∶（d+ 2L）=（695 +150）∶（695 + 300）= 0.849∶1。但考慮到實(shí)際使用時(shí)打印平面的平整及光滑度，將掃描間距略微減小，設(shè)定其比值為T∶D= 0.82∶1。

圖4 絲線橫截面及掃描間距與絲寬關(guān)系示意圖

2.4 層厚

經(jīng)過單點(diǎn)成形實(shí)驗(yàn)，以及掃描間距的確定確保打印CNT/PDMS 能夠在二維空間上得到很好的控制。但是要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印，對(duì)高度方向形狀的控制尤為重要，決定打印時(shí)高度方向的尺寸控制的關(guān)鍵參數(shù)為層厚。

3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

用游標(biāo)卡尺測(cè)量如圖5 所示的9 個(gè)試樣的底面正方形的寬度以及總體厚度，記錄各試樣寬度、厚度，將三因素三水平進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及各試樣寬度、厚度

圖5 正交試驗(yàn)9 個(gè)試樣

3.1 極差分析

極差可以反應(yīng)變量分布的離散程度，極差越大則離散程度越大。故在此可以使用極差來(lái)反映三個(gè)因素對(duì)表面平整度的影響大小，極差越大則該因素的水平變化對(duì)該指標(biāo)的影響越大，該因素越重要。

3.1.1 寬度極差分析

寬度極差計(jì)算結(jié)果見表3，打印速度、掃描間距、層厚的極差分別為2.7、1.3、3.4，由此可得對(duì)打印表面寬度影響由大到小排列的因素為：層厚＞打印速度＞掃描間距。再對(duì)比同一因素不同水平下的均值k，則可以得到不同水平對(duì)指標(biāo)影響的大小。根據(jù)均值得到如圖6 所示，打印速度以第1 個(gè)水平即15 mm/s 最優(yōu)，掃描間距以第3 個(gè)水平即0.45 mm 最優(yōu)，層厚以第1個(gè)水平即0.15 mm 最優(yōu)。綜上所述分析可得：對(duì)于寬度來(lái)說，最優(yōu)因素為層厚，最優(yōu)組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.45 mm，層厚0.15 mm。

表3 寬度極差分析表

圖6 影響寬度因子各水平均值圖

3.1.2 厚度極差分析

厚度極差計(jì)算結(jié)果見表4，打印速度、掃描間距、層厚得極差分別為0.46、0.21、3.07，由此可得對(duì)打印表面厚度影響由大到小排列的因素為：層厚＞打印速度＞掃描間距。再對(duì)比同一因素不同水平下的均值k，則可以得到不同水平對(duì)指標(biāo)影響的大小。根據(jù)均值得到如圖7 所示，打印速度以第1 個(gè)水平即15 mm/s 最優(yōu)，掃描間距以第1 個(gè)水平即0.30 mm 最優(yōu)，層厚以第1 個(gè)水平即0.15 mm 最優(yōu)。綜上可得：對(duì)于厚度來(lái)說，最優(yōu)因素為層厚，最優(yōu)組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.30 mm，層厚為0.15 mm。

表4 厚度極差分析表

圖7 影響厚度因子各水平均值圖

3.2 方差分析

方差分析用于分析定類數(shù)據(jù)與定量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系情況。

3.2.1 寬度方差分析

從三個(gè)因素的方差分析結(jié)果見表5。由表5 可知：打印速度呈顯著性（F= 247.960，P= 0.004 ＜0.05），說明主效應(yīng)存在；掃描間距呈顯著性（F=45.640，P= 0.021 ＜0.05），說明主效應(yīng)存在；層厚呈顯著性（F= 316.120，P= 0.003 ＜0.05），說明主效應(yīng)存在。并且P值越小說明該因素對(duì)于打印寬度的影響越大，按照P值由小到大進(jìn)行排列：層厚＞打印速度＞掃描間距，與極差分析結(jié)果一致。

表5 寬度方差分析

R方= 0.998（調(diào)整后R方= 0.993）

3.2.2 厚度方差分析

從3 個(gè)因素的方差分析結(jié)果見表6。由表6 知，打印速度呈顯著性（F= 215.583，P= 0.005 ＜0.05），說明主效應(yīng)存在；掃描間距呈顯著性（F= 20.271，P=0.047 ＜0.05），說明主效應(yīng)存在；層厚呈顯著性（F=4473.083，P= 0.000 ＜0，05），說明主效應(yīng)存在。并且P值越小說明該因素對(duì)于打印厚度的影響越大，按照P值由小到大進(jìn)行排列：層厚＞打印速度＞掃描間距，與極差分析結(jié)果一致。

表6 厚度方差分析

R方= 1.000（調(diào)整后R方=0.999）

4 結(jié)語(yǔ)

通過配制CNT/PDMS 的打印墨水，再來(lái)分析影響打印表面平整度的幾個(gè)主要因素，選取打印速度、掃描間距和層厚三個(gè)為主要影響因素，設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中選取擠出氣壓為200 kPa，孔徑為0.45 mm 的針頭進(jìn)行打印，選取了三個(gè)有代表性的水平進(jìn)行分析，打印了9 個(gè)試樣，測(cè)量了寬度和厚度，通過極差和方差分析可得，三因素對(duì)寬度和厚度影響程度排序?yàn)椋簩雍瘢敬蛴∷俣龋緬呙栝g距。根據(jù)極差和均值分析可得：影響寬度的最優(yōu)組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.45 mm，層厚0.15 mm。影響厚度的最優(yōu)組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.30 mm，層厚為0.15 mm。