3D打印光致动复合材料设计及应用

摘要

本文综述了致动器材料的研究进展，通过对致动器材料的优化设计，制备了在近红外（NIR）激光照射下具有光热效应的多壁碳纳米管/聚乳酸复合线材，并结合熔融沉积成型（FDM）工艺的3D打印技术构筑了纸基双层结构的光致动器。主要研究内容和结论如下：
　　1．将纯态多壁碳纳米管（MWCNTs）和纯态聚乳酸（PLA）采用溶液共混法和熔融共混法相结合的方法，成功制备了多壁碳纳米管/聚乳酸（MWCNTs/PLA）复合线材。研究发现：通过磁力搅拌和机械剪切的作用，填料MWCNTs能够均匀的分散在PLA基体中，且相容性很好；熔体流动速率（MFR）测试结果表明，复合线材中MWCNTs含量的增加能明显提高 PLA的熔体流动速率，当碳纳米管的含量增加极小量后，复合线材的熔体流动速率基本在同一水平，且复合材料在挤出前后，熔体流动速率无明显变化；于此同时，通过DSC热分析和TGA热分析测试，纯态PLA添加MWCNTs后，发现玻璃态转换温度（Tg）和熔点(Tm)均有所下降，由于MWCNTs的添加量很小，所以下降幅度并不大；纯PLA添加MWCNTs后，复合材料具有了明显的光热效应，在近红外光照射条件下，在很短时间内（1s）即可升温至玻璃态转换温度，随着MWCNTs含量的增加，复合材料升温幅度越大，持续照射15s后，复合材料温度接近熔点温度。
　　2.根据双层结构致动器设计原理，选择了办公用纸作为双层致动器的约束层，纸的表面本身具有一定粗糙度，通过FDM打印机将MWCNTs/PLA线材加热熔融挤出，直接沉积在纸面上，构筑了纸基双层结构的光致动器，并深入的研究了致动器光致机械响应行为的各影响因素，结果发现：在约束层材料纸张厚度不变的前提下，功能层复合材料的打印层厚和打印层不同结构设计均直接影响致动器致动效果，功能层复合材料打印层越薄越有利于其综合致动性能的提升，同时条纹间隔结构的设计也可以提高其致动效果。
　　3.利用3D打印技术自由设计的优势，进一步优化了致动器光致机械响应行为。借鉴仿生学结构设计原理，最终打印了一朵花，通过光源的开关控制模拟花开花合的光致智能机械可逆的响应过程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2纳米碳材料致动器

1.3 纳米碳材料聚合物复合材料光致动器

1.4 3D打印技术

1.5论文选题与研究内容

第二章 实验过程及实验方案

2.1实验原材料

2.2实验主要设备

2.3实验内容

2.4 测试与表征

第三章 MWCNTs/PLA复合线材的制备及性能研究

3.1 MWCNTs/PLA复合材料原料的选择及配方设计

3.2 MWCNTs/PLA复合线材的制备

3.3 MWCNTs/PLA复合线材微观结构研究

3.4 MWCNTs/PLA复合材料熔体流动速率（MFR）分析

3.5 MWCNTs/PLA复合线材热性能研究

3.4 MWCNTs/PLA复合线材光热性能研究

3.4 本章小结

第四章 MWCNTs/PLA复合材料的光致动行为研究

4.1 3D打印光致动器的设计及制备

4.2致动器光致机械响应行为研究

4.3 不同层厚致动器光致机械响应行为研究

4.4 不同面积致动器光致机械响应行为研究

4.5仿生花形致动器

4.5 本章小结

全文总结

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文