[发明专利]预期或指示结构损害的3D打印导电组合物

说明书

本发明提供了制品，所述制品包括本体和与本体机械连通的至少一个可3D打印导电复合物段。本体包括第一材料，并且至少一个导电复合物段包括基质材料、多个碳纳米管和导电添加剂。导电添加剂包括多个金属微粒、多个石墨颗粒或其组合。

技术领域

本公开内容涉及包含导电组合物的智能制品，所述导电组合物可用于指示结构损害或潜在的结构损害。

背景技术

迄今为止，如工业中实践的增材制造(也称为三维打印)主要涉及打印结构特征。存在对将功能性质(例如电子特征)集成到增材制造内的材料和工艺的需要。近来，在增材制造中潜在有用的导电材料的聚合物复合物组合物已商业化，但是它们的电导率一般较低，范围为～10^-3S/cm至～2.0S/cm以上。商购可得的材料，特别是导电材料例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)或聚乳酸(PLA)的机械性质一般受限(例如，不是柔性的和/或是相当脆的)，这限制了作为功能导电组分的用途。

在增材制造领域中非常感兴趣的是开发改良材料，所述改良材料可用于以有限的后装配容易地打印完全集成的功能性物体。这将允许在日常物体的制造和消费中的全新设计，特别是当它们能够使用导电材料时。在物体内打印导电部件的能力可提供用于嵌入式传感器和电子设备的潜力。

在增材制造中的常用技术利用熔融聚合物通过加热的喷嘴的挤出。该方法用于例如熔融沉积成型(FDM)中，其中将长丝进料到用于连续挤出的热区带内。熔融聚合物可逐层沉积到构建板上，以便形成三维(3D)物体。除打印塑料物体之外，存在对导电材料的3D打印和含有电子部件的结构的增材制造的使用的强烈兴趣。然而，目前市场上存在非常少的显示出电导率的长丝材料，并且可获得的长丝材料具有相对低的电导率，这限制了潜在应用的范围。材料通常这样构造，使得一种导电材料通过绝缘聚合物基底形成渗透网络，使得电子具有连续的流动路径。这种导电网络的形成受限于导电颗粒排列在聚合物基底内的方式。虽然这些材料已在学术界和工业中广泛地探索，但焦点通常在于使形成渗透网络所需的导电添加剂的量最小化，这种情况下电导率相对低。针对电渗滤的研究的论文的一个例子是Yao Sun等人，Modeling of the Electrical Percolation of Mixed CarbonFillers in Polymer-Based Composites，Macromolecules 2009，42，459-463，其描述了使用多壁碳纳米管和炭黑或石墨来降低聚合物复合物的渗透阈值。该论文未描述用于增加电导率基本上超过渗透阈值的技术。它也未讨论导电聚合物用于增材制造的用途。

同时，3D制造的电子设备领域允许将功能并入物体内。例如，结构电子学(SE)涉及充当承载的保护结构的电子和/或电部件和电路。在承载应用的情况下，电子部件可占据物体或结构内的空间而不产生新的空间，或者可占据非常有限的空间量，以便对部件的结构稳定性和/或承载能力具有可忽略不计的作用。

使用结构电子设备预测制品的结构故障的能力将是本领域中受欢迎的进步，并且可在增材制造领域中具有显著的影响。在机械坚固性减少一定的限定量的情况下，将结构电子材料的机械性质修改为与结构材料功能匹配的能力将提供本领域的新技术。

发明内容

在一个实施例中，存在包括本体和与本体机械连通的至少一个可3D打印导电复合物段的制品。本体包含第一材料，并且至少一个可3D打印导电复合物段包含基质材料、多个碳纳米管和多个导电添加剂。导电添加剂包含多个金属微粒、多个石墨颗粒或其组合。

在另一个实施例中，存在形成制品的方法。该方法包括形成本体并形成与本体机械连通的至少一个可3D打印导电复合物段。本体包含第一材料，并且至少一个可3D打印导电复合物段包含基质材料、多个碳纳米管和多个导电添加剂。多种导电添加剂包含金属微粒、石墨颗粒或其组合。