比PEEK更强！碳化硼纳米管增强3D打印丝材PEI 9085，航空航天领域的革新材料

导读：3D打印零件的性能在很大程度上受制于打印材料的特性，高性能工程塑料一直是非金属3D打印领域追求的尖端方向。聚醚酰亚胺（PEI）是一种高分子聚合物，其耐热性、电性能、耐化学性和可加工性较好，被广泛应用于电子电器、汽车和航空航天等领域，如电器绝缘材料、电路板、齿轮、气垫、密封材料等。目前，市面上已经推出了可供3D打印的PEI 9085材料，通常用于制造要求高强度、高温稳定性和耐腐蚀性能的部件和零件。然而，有公司在这款材料上进行了特种改性，使其更为强大。

2024年3月26日，南极熊获悉，大连义邦 近期引进了一款以ULTEM® PEI 9085 作为基材的特种改性3D打印材料——Polybarb Filament PEI 9085，其中添加了特殊的增强材料“氮化硼纳米管（Boron Nitride NanoBarb)”，并通过挤出工艺制成丝材，可用于3D打印。相较于短切碳纤维填充的PEI，它具有更出色的打印机械性能，适用于生产对强度要求更高的零件，能够满足航空级别的使用需求，而且易于打印。

△氮化硼纳米管增强3D打印丝材Polybarb Filament PEI 9085

氮化硼纳米管NanoBarb™的神奇之处
氮化硼纳米管是一种革命性材料，于 1995 年首次在实验室环境中开发。这种独特的材料表现出卓越的物理和化学特性的理想组合，包括电阻率、超疏水性和高热稳定性、导热性、强度和刚度。尽管与碳纳米管相似，氮化硼纳米管的不同之处在于它们具有电绝缘性，并且在更高的温度下具有热稳定性，从而拓宽了其潜在应用。这些特性使氮化硼纳米管成为适用于航空航天、汽车、国防和生物医学等市场的理想材料。

△碳化硼纳米管

据南极熊了解，氮化硼纳米管NanoBarb™的工程表面增强了复合材料的性能，氮化硼被制造成不规则形状，就像“钢筋”一样，使用机械“倒钩”来优化与基体材料的联锁，从而增强增强性能。NanoBarb™ 通过降低范德华引力（最大限度地减少颗粒之间的接触面积）简化了纳米材料的处理和加工，从而在与其他材料混合时实现更高的负载量而不会团聚。

△氮化硼纳米管NanoBarb™增强材料性能的原理图

碳化硼纳米管增强PEI 9085比PEEK性能更强、打印更容易
PEEK（聚醚醚酮）是高性能3D打印材料中最为人熟知的一款，其打印温度高达400℃左右，PEEK在航空、汽车和医疗领域都有巨大的应用前景。与PEEK相比，氮化硼纳米管增强的PEI 9085 3D打印丝材仍具有明显优势。
PEEK和PEI之间的一个主要区别在于它们的形态结构不同。PEI是无定形的，而PEEK是半结晶的（包含无定形和结晶区域）。这在高温下的性能方面产生了很大影响，PEI 9085的玻璃化转变温度（Tg）约为215℃，而PEEK的玻璃转化温度为150℃，玻璃转化温度越高，热变形程度就越小，打印成品的精度和质量也越高。拉伸强度可与PEEK材料匹敌甚至更高。

△氮化硼纳米管增强PEI 9085与三款国产PEEK性能对比

另一个优势在于处理温度。相较于PEEK通常需要约400°C的加工温度，而PEI 9085具有更低的加工温度（约350°C）。
同时，PEEK在3D打印过程中存在粘连和翘曲的问题。相比之下，PEI 9085具有更好的粘合性能，不易翘曲，使其更适合于3D打印程序，PEI 9085的打印成功率也PEEK更高，打印成功率高达95%。
最后，虽然PEI 9085和PEEK均为高性能工程塑料，但它们在后处理方面存在一些差异。PEEK具有更高的耐热性和优越的机械性能，但后处理更为复杂，需要更多工艺步骤以获得理想的表面质量。相比之下，PEI 9085在后处理方面相对较容易加工，它对后处理步骤的需要更少，适用于对高温稳定性和机械性能要求稍低的应用。
此外，在航空认证方面，PEEK和PEI 9085的3D打印丝材都符合UL 94-V0等级，在10秒内自行熄灭，但PEI 9085的介电强度和阻燃性均优于PEEK。PEI 9085 材料因其低烟雾、低毒性以及固有的阻燃性而获得了航空FST认证。

△氮化硼纳米管增强PEI 9085阻燃测试

氮化硼纳米管增强PC/PBT丝材
除了将碳化硼纳米管用于增强PEI 9085之外，他们还开发了氮化硼纳米管增强的PC/PBT 3D打印丝材。聚碳酸酯（PC）是一种耐冲击的热塑性塑料，而聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）则是一种具有良好加工性能、耐热性能和化学稳定性的工程塑料。将PC和PBT结合，再加入氮化硼纳米管，可以制造出一种性能更加全面的3D打印材料。

△碳化硼增强的PC/PBT丝材

氮化硼纳米管增强PC/PBT与碳纤维增强的尼龙丝材相比具有更加精细的打印效果，耐久性和层间强度，可以为3D打印制造商提供纳米级增强的材料，以满足其打印需求。
氮化硼纳米管用于提升聚合物的性能是其典型应用，因此生产商将氮化硼纳米管首次应用于3D打印丝材，实现了PC/PBT, PEI 9085等3D打印丝材的纳米级增强，与碳纤维增强的丝材相比，具有多种优势。

氮化硼纳米管增强PEI9085材料的生产商BNNano
BNNano , Inc.由Steve Wilcenski博士和Jason Taylor博士于2016年创立。他们采用无催化剂、专利技术进行生产。与传统氮化硼纳米管不同的是，在纳米管的外表形成了不规则的六方氮化硼结晶体。这种结构最显著的优势是在与基体材料混合时，优化氮化硼纳米管颗粒与基体材料之间的交联，从而增强复合材料的机械性能。
BNNano, Inc.拥有商业上可行的氮化硼纳米管制造工艺，成本比任何竞争对手低几个数量级，而且质量更高。NanoBarb™是一种独特的增强型氮化硼纳米管。当添加到普通材料中时，NanoBarb™ 可以改善其自然特性，将其变成非凡的材料。这意味着铝可以变得像钢或钛一样坚固。这意味着铜可以提供先进的热管理解决方案。这意味着聚酯可以表现得像 Kevlar™。这意味着散热器可以由塑料制成。简而言之，这意味着水净化、防火和高超音速飞行方面的新能力。
BNNano已为NASA、全球政府实验室等提供材料合作，欢迎了解和测试氮化硼增强PEI 9085 3D打印丝材和氮化硼纳米管。