複合材料のトップジャーナルレビュー：3Dプリントされたグラフェン強化マルチスケール構造複合材料

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: 適切なマクロおよびミクロ構造設計は、構造複合材料の機械的特性に重要な影響を及ぼします。3D 印刷技術の開発により、多次元の軽量で高強度の複合材料を効率的かつ制御可能に構築する機会が提供されます。近年、炭素系ナノ材料は、その巨大な比表面積と優れた機械的特性、特に優れたヤング率、固有強度、顕著な引張特性を備えたユニークな2次元(2D)ナノシートであるグラフェンなどにより、構造複合材料用のナノフィラーとして大きな注目を集めています。 3D プリンティングにおけるグラフェンの応用では、マクロアセンブリによってあらゆるサイズと構成の複雑な 3D オブジェクトを製造できる一方、マイクロ制御によって、高度な方向性分布と浸透構造ネットワークの構築を実現できます。この論文では、セラミックベースの複合材料、ポリマーベースの複合材料、金属ベースの複合材料など、3D プリントされたグラフェン強化マルチスケール構造複合材料の概要を説明します。急速に発展しているこの分野の現在の課題と将来の応用の見通しを予測します。

極限環境用途における主要機器の構造と性能に対する要求が高まるにつれ、主要な精密構造部品の軽量化と統合が、構造複合材料を効果的に実用化するための主な条件と見なされています。 3Dプリントは、点、線、面を基本構造単位として、三次元物体を層ごとにスライスして得られる連続した二次元断面情報を重ね合わせるという原理に基づく、先進的な新製造技術です。 3Dプリントは、従来の簡略化された同等材料の製造方法と比較して、構造の幾何学的制約を打ち破り、複雑な構造部品の製造を実現できます。その利点は、オンデマンドスタッキングによる加工コストの削減と、統合製造による軽量化効果の大幅な向上に反映されています。さらに、3D プリンティングは、印刷された構造の体積、精度、速度、構造の均一性、およびマルチマテリアル化を最適化することを目的としています。そのため、3D プリンティングは、民生用電子機器、複雑な構造部品、多材料複合部品、特殊な成形が難しい部品などの分野で広く使用されています。特に、微調整された一定のせん断効果により、コンポーネントの秩序だった分布と高度な方向性の配置を実現し、さらに浸透性のある機械的に強化されたネットワークを構築できます。したがって、 3D プリント技術は、軽量で高強度の複合構造を迅速かつ低コストでデジタル/インテリジェントに製造する方法を提供し、構造複合材料の性能最適化に実用的な応用意義を持っています。

コンポーネントの組み合わせ設計は、同等の構造性能を実現するための最も基本的な要素です。現在、構造複合材に使用される印刷部品には、主に熱可塑性ポリマー、金属粉末、セラミック粉末が含まれます。得られた構造は、一般的に優れた機械的強度と一定の強化効果を示しますが、3D プリントによって構築された多孔質構造は明らかな減衰があり、軽量で高強度のアプリケーション要件を満たすのは困難です。そのため、炭素ベースのナノ材料は、その巨大な比表面積と優れた機械的特性により、構造複合材料のナノフィラーとして大きな注目を集めています。特に、ハニカム格子構造を持つ単層の炭素原子で構成された 2 次元 (2D) ナノシートであるグラフェンが注目されています。亀裂の偏向、ブリッジング、ナノシートの引き抜きメカニズムなどのナノシートの強化効果に基づいて、3D プリントされたグラフェン強化複合材料は、最適化された構造特性を実現できます。例えば、Roman-Manso らは、低密度でかなりの圧縮強度を持つ軽量の 3D グラフェン/シリコンカーバイドセル構造を加工しました。 Corral らは、グラフェンナノシートが個々の窒化シリコン粒子の近くを包み込んで固定し、引き抜きを防ぐ新しい強化メカニズムを提案しました。さらに、 3D プリントによって制御可能に構築された 3D グラフェンは、貫通する強化ネットワーク、独自の多孔性、柔軟性を備えています。

これに関連して、中国科学院上海陶磁器研究所の董紹明教授のチームが研究を行い、関連する研究結果は「構造用途向け3Dプリントグラフェン強化複合材料のレビュー」というタイトルでComposites Part A: Applied Science and Manufacturing誌に掲載されました。

リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359835X22006017

このレビューの目的は、3D プリントされたグラフェン強化複合材料の構造的応用における最新の進歩を整理し、図 1 に示すように、セラミックベース複合材料、ポリマーベース複合材料、金属ベース複合材料、およびその他のバイオエンジニアリング構造複合材料におけるグラフェンナノシートの最適化メカニズムをさらに分析することです。グラフェンとその誘導体（酸化グラフェンと還元酸化グラフェン）を 3D 印刷技術と組み合わせることで、水性環境における印刷可能なインクの溶解性とレオロジーが注目されています。グラフェンナノシート本来の優れた機械的特性は最大限に保持され、構築された 3D グラフェンに比類のない多孔性、柔軟性、およびより大きな利用可能な比表面積が与えられます。ナノ強化材として、グラフェンナノシートはマトリックス粒子にしっかりと固定され、付着することができるため、変形中に持続的な応力伝達が可能になります。さらに、3D プリントによって組み立てられた特定の多次元サポート構造により、複合材料の明らかな機械的連結特性が実現されました。さらに、配向グラフェンネットワーク構造により、独特の異方性と一貫した靭性を実現できます。最終的に、3D プリントされたグラフェン強化複合材料を構造材料の分野に応用することは、ナノ強化材としての炭素ベースのナノ材料の実用的展望にプラスの影響を与えます。

図 1. セラミックベース複合材、ポリマーベース複合材、金属ベース複合材、その他の構造用複合材を含む、構造用途向けの 3D プリントされたグラフェン強化複合材。図 2. 構造配向には一定の異方性があり、GNP の体積分率の増加とともに圧縮強度が増加します。 (a) 設計されたブラケットの構造図と2本の直交ロッド間の接触領域の図、および実際のロッドと座標軸の配置図。 (b) 20 vol% GNPs を含む GNPs/SiC 複合材料の焼結ロッド間の研磨表面の FESEM 顕微鏡写真。 (c) および (d) (e) の番号 1 および 2 でマークされた領域の高倍率画像。 (e) 20 vol% GNPs を含む GNPs/SiC 複合材料の焼結ロッドの破面の FESEM 顕微鏡写真。 (f) 構成されたすべての足場の応力-ひずみ関係と、(g) 異なる足場密度の関数としての圧縮強度値。図 3. グラフェン/SiC 複合材料の機械的強度は、主にグラフェンベースのフィラメントに層状の SiC を充填してカプセル化することによって得られます。 (a) 製造工程の概略図。 (bd) グラフェン含有量が50重量%で、保持時間が6時間、10時間、50時間の複合材料の内部破面のFESEM画像。 (例) グラフェン含有量が 50 wt% で、保持時間が 6 時間、10 時間、50 時間の複合材料の破壊境界の FESEM 画像。 (h) 異なるグラフェン含有量と異なる保持時間を持つ3Dグラフェン/SiC複合材料の圧縮強度。 (i) 異なる保持時間における 3D グラフェン/SiC 複合材料の応力-ひずみ曲線。図 4. 3D プリントされた PLA-グラフェン複合材料のクリープ抵抗と耐摩耗性。 (a) 3D プリントされた PLA グラフェンスキャフォールドの上面微細構造と (b) 破壊断面微細構造。 (c) 3DプリントされたPLAとPLA-グラフェンのクリープ変位-時間曲線。（d）最大クリープ変位は10、25、50、75、90mN。 (e) 5、10、20 Nの荷重下で30分間滑らせたPLA-グラフェン複合材料のCOF。 (f) 摩耗試験の最初の 15 分間の平均 COF。図 5. 3D プリントされた GOGP 構造の機械的特性は、複素弾性率が増加するにつれて大幅に向上します。 (a) 3D プリントプロセスと設計された 3D プリント構造の図解。 (b) 4 wt% および (c) 20 wt% の GO 層負荷による HPPG カプセル化の SEM 画像と対応するモデル。 (d) 3D プリントされたジオポリマー/酸化グラフェン複合材料の圧縮強度、(e) 弾性率、(f) 典型的なひずみ-応力曲線。図 6. グラフェンシート強化 Gr-Al 複合材料のビッカース硬度とナノインデンテーション試験。 (a) レーザー 3D プリントグラフェンアルミニウムプロセスの概略図。レーザー 3D プリントされた Gr-Al 複合材料の SEM 画像: (b) 断面形態、(c) および (d) 炭素とアルミニウムの EDS 画像。 (e) Gr-Al複合材料のHRTEM像：グラフェン、Al、アルミニウムカーバイド領域およびそれらの界面。 (f) 3DプリントされたAlおよび2.5wt%Gr-Al複合材料のナノメカニカル試験の荷重-浸透深さ曲線。 (g) レーザー 3D プリントされた Al および Gr-Al 複合材料のビッカース硬度。図 7. GNP および酸化物摩耗面上の摩擦層は、硬度と耐摩耗性に影響を与えます。 (a) 傾斜材料レーザー溶融堆積システムの概略図。 (b) 層 1 から層 4 まで堆積した GNMMC の研磨された断面。 (c) 第1層から第4層までのGNMMCのビッカース硬度値。 (d) 20 n における GNNMCss の微細構造と (e) 摩耗痕断面の C 元素のラインスキャン分析 (f) 20 n での滑り距離による NA、NMC、GNNMCss の体積損失の変化 (g) 粒度勾配構造と硬度曲線の変化を伴う GNNMCss の模式図。図 8. 3 次元グラフェンネットワークは、HB-3DG の構造特性を制御する上で重要な役割を果たします。 (a) 3DプリントされたHB、3DG、HB-3DGオブジェクトの写真と、対応する繊維表面と断面のSEM顕微鏡写真。 (b) HB、3DG、HB-3DGプリント繊維の多孔度または空隙率。 (c) 3DプリントされたHB、3DG、HB-3DGオブジェクトの引張弾性率と破壊ひずみ。 (d) HB、HB-3DG、3DGの代表的な圧縮荷重と圧縮ひずみの図。
近年、複合材料におけるナノ強化材料としてのグラフェンの応用は研究者から大きな注目を集めており、複合材料の機械的、電気的、熱的特性が向上しています。同時に、3次元グラフェン構造を構築するための3Dプリンティングに関する代表的な研究も数多く発表されています。この論文では、主にセラミックベースの複合材料、ポリマーベースの複合材料、金属ベースの複合材料を含む 3D プリントされたグラフェン強化複合材料の構造的応用についてレビューすることに焦点を当てています。複合材料の構造特性に対するグラフェンの最適化メカニズムについて詳細に議論されており、グラフェンとマトリックス粒子間のコヒーレント状態が複合材料の構造特性に影響を与える重要な要因であると考えられています。さらに、直接インク書き込み (DIW)、レーザー溶融堆積 (LMD)、選択的レーザー溶融 (SLM) など、さまざまな複合材料に適した 3D 印刷モードが提案されています。これを踏まえて、前述の3Dプリントグラフェン強化複合材料の構造特性の長所と短所を検討し、早急に解決すべき困難と今後の研究の焦点について考察する。本稿で強調した上記の最適化されたマトリックスに加えて、細胞増殖、骨再生、骨構造再構築の分野におけるグラフェン強化組織工学複合材料の構造的応用も注目に値し、これにはグラフェンの生体適合性が関係しています。そのため、グラフェンは固有の機械的特性と巨大な比表面積を有しており、複合材料の分野に応用され、構造性能をさらに向上させる可能性を秘めています。

全体的に、3D プリントされたグラフェン強化複合構造アプリケーションの将来と可能性は非常に刺激的であると思われます。グラフェンナノシートの特殊な二次元ハニカム格子単原子層構造により、巨大な比表面積や優れた機械的強度など、そのユニークな構造特性が決まります。複合材料の構造特性を最適化するための理想的な構造ナノフィラーとして使用できます。注目すべきは、グラフェンの物理的特性、マトリックス内での分散状態、およびマトリックスとのコヒーレント状態の制御可能な設計です。さらに重要なのは、新興の構造複合材料と創造的な製造方法として、グラフェンと 3D プリンティング、特にその最適化メカニズムと進化プロセスに対する深い理解が必要であることです。

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