高强电磁屏蔽环氧复合材料的3D打印工艺研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.005

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (9): 24-29.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.005

高强电磁屏蔽环氧复合材料的3D打印工艺研究

曲道鹏¹(), 张涛¹, 华晨曦¹, 宋欣雨¹, 程昌利³, 刘禹¹, 王震宇¹^,²()

^1.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122
^2.江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122
^3.无锡市江大隔振器有限公司，江苏无锡 214024

收稿日期:2023-12-28 出版日期:2024-09-26 发布日期:2024-09-27
通讯作者: 王震宇（1991-），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为纳米复合材料的增材制造工艺，zywang@jiangnan.edu.cn
E-mail:18854891217@163.com;zywang@jiangnan.edu.cn
作者简介:曲道鹏（1998-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为环氧复合材料直书写3D打印及性能测试，18854891217@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52375338);“太湖之光”科技攻关计划项目(G20212034);江苏省食品先进制造装备技术重点实验室自主研究课题(FMZ202201)

3D printing of epoxy⁃based composites with high strength and electromagnetic interference shielding ability

QU Daopeng¹(), ZHANG Tao¹, HUA Chenxi¹, SONG Xinyu¹, CHENG Changli³, LIU Yu¹, WANG Zhenyu¹^,²()

^1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China
^2.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China
^3.Jiangda Vibration Isolator Co，Ltd，Wuxi 214024，China

Received:2023-12-28 Online:2024-09-26 Published:2024-09-27
Contact: WANG Zhenyu E-mail:18854891217@163.com;zywang@jiangnan.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过双喷头直书写3D打印工艺将高强纳米二氧化硅/环氧树脂（SiO₂/EP）复合材料和高导电炭黑/环氧树脂（CB/EP）复合材料有序组装为三维交替排列的纳米二氧化硅/炭黑/环氧树脂（SiO₂/CB/EP）复合材料。通过流变性能分析，添加11.6 %（质量分数，下同）纳米二氧化硅和10 %炭黑的环氧树脂具备优异的可打印性，并通过挤出压力和打印速度的调控实现了线宽为400 μm的线条稳定成型。结果表明，SiO₂/CB/EP复合材料展现了优异的成型精度和规则有序的三维结构；所制备的SiO₂/CB/EP复合材料的拉伸、压缩和弯曲强度分别为35、64、120 MPa，相较于SiO₂/EP未出现严重衰减；同时，其电磁屏蔽效能最高可达25 dB，且主要以电磁波的吸收为屏蔽机制。

关键词: 环氧树脂, 复合材料, 三维打印, 电磁屏蔽, 力学性能

Abstract:

A dual⁃material 3D printing technique is developed to rationally construct nano⁃silica/carbon black/epoxy （SiO₂/CB/EP） composites through alternately arranging nano⁃silica/epoxy （SiO₂/EP） composites with high strength and carbon black/epoxy （CB/EP） composites with high conductivity. According to the rheological properties， the epoxy composites with 11.6 wt.% SiO₂ and 10 wt.% CB exhibits excellent printability. A stable diameter of 400 μm was achieved through controlling the extrusion pressure and printing speed. The SiO₂/CB/EP composites show an excellent manufacturing accuracy and a highly ordered 3D structure as verified by the optical and micro⁃CT images. The tensile， compressive and bending strengths of the SiO₂/CB/EP composites were 35 MPa， 64 MPa and 120 MPa， respectively， indicating that there is no attenuation compared to those of the SiO₂/EP composites. Moreover， the electromagnetic interference shielding effectiveness of the composites is as high as 25 dB on the basis of the microwave absorbing mechanism.

Key words: epoxy, composite, three?dimensional printing, electromagnetic interference shielding, mechanical property

中图分类号:

TQ323.5

曲道鹏, 张涛, 华晨曦, 宋欣雨, 程昌利, 刘禹, 王震宇. 高强电磁屏蔽环氧复合材料的3D打印工艺研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 24-29.

QU Daopeng, ZHANG Tao, HUA Chenxi, SONG Xinyu, CHENG Changli, LIU Yu, WANG Zhenyu. 3D printing of epoxy⁃based composites with high strength and electromagnetic interference shielding ability[J]. China Plastics, 2024, 38(9): 24-29.

图/表 12

图1 双喷头直书写3D打印制造工艺过程及结构

Fig. 1 Dual⁃material 3D printing process and the structure

图2 SiO2/EP和CB/EP两种墨水的流变性能和打印参数

Fig.2 Rheological properties and printing parameters of SiO2/EP and CB/EP inks

图3 SiO2/EP和CB/EP两种墨水的SEM照片

Fig.3 SEM of SiO2/EP and CB/EP inks

图4 双喷头直书写制造工艺原理和样品成型质量

Fig.4 Manufacturing mechanism of the dual⁃material 3D printing technique and the forming quality of the printed sample

水平	因素
水平	打印速度（A）/mm·s^-1	打印气压（B）/kPa	打印层数（C）
1	8	300	1
2	9	320	2
3	10	340	3

表1 SiO2/EP墨水试验因素⁃水平表

Tab.1 Table of SiO2/EP test factor and its level

水平	因素
水平	打印速度（A）/mm·s^-1	打印气压（B）/kPa	打印层数（C）
1	9	200	1
2	10	220	2
3	11	240	3

表2 CB/EP墨水试验因素⁃水平表

Tab.2 Table of CB/EP test factor and its level

试验号	打印速度（A）/mm·s^-1	打印气压（B）/kPa	打印层数（C）	SiO₂/EP线宽/µm	CB/EP线宽/µm
1	1	1	1	369.84	310.11
2	1	2	2	471.97	420.94
3	1	3	3	574.03	561.18
4	2	1	2	318.96	293.45
5	2	2	3	401.78	408.30
6	2	3	1	510.17	520.03
7	3	1	3	408.15	270.89
8	3	2	1	567.52	401.27
9	3	3	2	631.41	484.34

表3 正交试验结果

Tab.3 Results of the orthogonal test

项目SiO₂/EP⁃CB/EP	A/mm·s^-1	B/kPa	C
K₁	1 415.84/1 292.23	1 096.95/874.45	1 447.53/1 231.41
K₂	1 230.91/1 221.78	1 396.27/1 230.51	1 422.34/1 198.73
K₃	1 607.08/116.5	1 715.61/1 565.55	1 383.96/1 240.37
k₁	471.94/430.74	365.65/291.48	482.51/410.47
k₂	410.30/407.26	465.42/410.17	474.11/399.57
k₃	535.69/385.5	571.87/521.85	461.32/413.45
R	125.39/45.24	535.22/221.37	21.19/13.88
最佳水平	A₃/A₁	B₃/B₃	C₁/C₃

表4 极差分析表

Tab.4 Analysis of extreme differences table

图5 SiO2/CB/EP复合材料的线粘接强度测试

Fig.5 Interface strength of SiO2/CB/EP composites bonding strength tests

图6 拉伸、压缩、3点弯曲、粘接强度测试样品的结构

Fig.6 Sample structures in tensile， compressive， three⁃point bending and bonding strength tests

图7 SiO2/CB/EP、SiO2/EP和CB/EP复合材料的力学性能

Fig.7 Mechanical properties of the SiO2/CB/EP， SiO2/EP and CB/EP composites

图8 SiO2/CB/EP复合材料的电磁屏蔽性能

Fig.8 EMI shielding principles of the SiO2/CB/EP composites

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