复合材料顶刊综述：3d打印石墨烯增强的多尺度结构复合材料(2)

时间：2023-01-16 11:16 来源：材料学网作者：admin 阅读：次

图3. 石墨烯/碳化硅复合材料的力学强度主要是由于层状碳化硅填充和包裹在石墨烯基长丝中。(a)制造工艺示意图。(b-d)石墨烯含量为50 wt%、保温时间为6 h、10 h、50 h的复合材料断口内部FESEM图像。(e-g)石墨烯含量为50 wt%、保温时间为6 h、10 h、50 h的复合材料断口边界FESEM图像。(h)不同石墨烯含量、不同保温时间的3D石墨烯/SiC复合材料的压缩强度。(i)不同保温时间下三维石墨烯/SiC复合材料的应力-应变曲线.

图4. 3d打印pla -石墨烯复合材料的蠕变和耐磨性。(a) 3D打印pla -石墨烯支架的顶表面微观结构和(b)断裂截面微观结构。(c) 3D打印PLA和PLA-石墨烯的蠕变位移-时间曲线。(d) 10、25、50、75和90 mN的最大蠕变位移。(e) pla -石墨烯复合材料在5、10和20 N载荷下滑动30分钟的COF。(f)磨损试验最初15分钟的平均COF.

图5. 随着复模量的增加，3D打印GOGP结构的力学性能显著提高。(a) 3D打印过程和设计的3D打印结构的说明。(b) 4 wt%和(c) 20 wt%加载的GO层HPPG封装的SEM图像和相应模型。(d) 3D打印地聚合物/氧化石墨烯复合材料的抗压强度，(e)弹性模量，(f)典型应变-应力曲线.

图6. 石墨烯片增强Gr-Al复合材料的维氏硬度和纳米压痕试验。(a)激光3D打印石墨烯铝工艺示意图。激光3D打印Gr-Al复合材料的SEM图像:(b)截面形貌，(c)和(d)为碳和铝的EDS图。(e) Gr-Al复合材料的HRTEM图像:石墨烯、Al、碳化铝区域及其界面。(f) 3d打印Al和2.5 wt% Gr-Al复合材料纳米力学测试的载荷-穿透深度曲线。(g)激光3D打印Al和Gr-Al复合材料的维氏硬度.

图7. GNPs和氧化物磨损表面的摩擦层对硬度和耐磨性有影响。(a)梯度材料激光熔融沉积系统示意图。(b) GNMMCs沉积层从第1层到第4层的抛光截面。(c) GNMMCs从第一层到第四层的维氏硬度值。(d) 20 n时GNMMCss的微观结构和(e)磨损痕截面C元素的线扫描分析(f) 20 n时NA、NMCs和GNMMCss的体积损失随滑动距离的变化(g)具有晶粒梯度结构的GNMMCss示意图和硬度曲线的变化.

图8. 三维石墨烯网络在调控HB-3DG的结构性能方面发挥了关键作用。(a) 3d打印HB、3DG和HB-3DG物体的照片以及相应的纤维表面和截面的SEM显微照片。(b) HB、3DG和HB-3DG印花纤维的孔隙率或空隙率。(c) 3d打印HB、3DG和HB-3DG物体的拉伸模量和破坏应变。(d) HB、HB-3DG和3DG的代表性压缩载荷与压缩应变图.

近年来，石墨烯作为纳米增强材料在复合材料中的应用受到了研究人员的高度重视，提高了复合材料的力学、电学和热性能，同时也发表了许多3D打印构建三维石墨烯结构的代表性作品。本文重点综述了基于3d打印石墨烯增强复合材料的结构应用，主要包括陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和金属基复合材料。详细讨论了石墨烯对复合材料结构性能的优化机理，认为石墨烯与基体粒子的相干态是影响复合材料结构性能的关键因素。此外，提出了适用于不同复合材料的3D打印模式，如直接墨水书写(DIW)、激光熔化沉积(LMD)和选择性激光熔化(SLM)。在此基础上，综述了上述3d打印石墨烯增强复合材料结构性能的优缺点，并考虑了目前急需解决的难点和未来研究的重点。此外，除了本文所强调的上述优化基质外，石墨烯增强组织工程复合材料在细胞增殖、骨再生、骨结构重建等领域的结构应用也值得关注，其中涉及到石墨烯的生物相容性。因此，石墨烯具有固有的力学性能和巨大的比表面积，具有应用于复合材料领域并进一步提高结构性能的潜力。
总的来说，3d打印石墨烯增强复合材料结构应用的未来和潜力似乎非常令人兴奋。石墨烯纳米片特殊的二维蜂窝晶格单原子层结构决定了其独特的结构特征，如巨大的比表面积和优越的机械强度。它可以作为一种理想的结构纳米填料来优化复合材料的结构性能。值得注意的是石墨烯的物理性质、在基体中的色散态、与基体的相干态的可控设计。更重要的是，石墨烯和3D打印作为一种新兴的结构复合材料和创造性的制备方法，需要对其进行深刻的理解，特别是其优化机理和演化过程。

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