CO2发泡增材制造导电TPU长丝：形态依赖的电响应与多功能调控

《Materials & Design》：Morphology-dependent electrical response of C O 2 -foamed conductive TPU filaments fabricated by foam additive manufacturing

为解决传统导电材料密度高、柔性差及发泡工艺难以兼顾导电性的难题，研究人员通过CO2发泡增材制造（FAM）技术，系统研究了工艺参数对导电TPU泡沫微观结构及电-力学性能的调控规律，实现了在宽密度范围内保持欧姆响应，为轻质柔性电子器件提供了可定制化材料平台。

　　

在追求下一代可穿戴设备和柔性电子系统的浪潮中，材料科学家面临着一个棘手的“跷跷板”难题：传统的导电材料（如金属或高填充聚合物）往往又重又硬，难以贴合人体皮肤或适应动态形变；而轻质柔软的高分子泡沫（如聚氨酯海绵）通常是绝缘的。虽然将导电填料（如碳黑、碳纳米管）混入聚合物基体可以制备导电聚合物复合材料（CPC），但高填料含量会导致材料变脆、加工困难且成本高昂。更令人头疼的是，当为了减重而引入气泡制造泡沫时，导电通路极易被气泡撑断，导致电导率急剧下降。如何打破“密度降低必然伴随导电性恶化”的魔咒，制备出兼具高弹性、低密度和稳定导电功能的材料，成为了柔性电子领域亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，来自意大利那不勒斯费德里科二世大学的研究团队在《Materials》上发表了一项创新研究。他们巧妙地将物理发泡工艺与3D打印技术相结合，利用二氧化碳（CO₂）发泡增材制造（Foam Additive Manufacturing, FAM）技术，成功制备了形态与性能可调的导电热塑性聚氨酯（TPU）泡沫长丝，并揭示了泡孔结构对电学性能的调控机制，为实现轻质柔性导电材料的数字化制造提供了新范式。

关键技术方法

本研究采用“高压饱和-熔融挤出”的FAM路线。首先将商用导电TPU长丝（含碳纤维）置于50 bar高压釜中进行CO₂饱和浸渍；随后立即将其装入改装后的熔融长丝制造（FFF）打印机（配备1 mm喷嘴），通过精确控制喷嘴温度（200–230 °C）和打印速度（30–600 mm/min），在挤出瞬间诱导发泡，形成微孔结构。通过系统改变工艺参数，制备了系列发泡长丝，并利用显微成像、单轴压缩测试（Texture Analyzer）和电阻测量，建立了“工艺-结构-性能”的定量关系。

研究结果

1. 工艺窗口与泡孔形态调控

研究发现，喷嘴温度（T_n）和打印速度（v_in）是决定发泡成败的关键。在200 °C时，材料粘度较高，气泡生长受限，仅形成少量小孔；当温度升至220–230 °C时，熔体粘度降低，气泡得以充分膨胀，形成均匀的微孔结构。然而，温度过高或速度过慢会导致过度膨胀甚至孔洞合并，破坏结构的规整性。通过优化参数，研究实现了对泡孔尺寸、孔隙率和长丝膨胀比的精确控制。

2. 形态依赖的电学性能：打破传统认知

最引人注目的发现是，通过FAM工艺制备的导电泡沫，其电导率并未像传统CPC泡沫那样随密度降低而单调下降。归一化电阻率分析表明，在特定的发泡程度下，电导率反而有所提升。这是由于气泡生长过程中的局部剪切和拉伸变形，迫使导电填料（碳纤维）在泡孔壁和筋络中重新取向和富集，形成了更高效的导电网络。这种“形态驱动”的电荷传输行为，使得材料在宽密度范围内保持了良好的欧姆响应，突破了传统材料的性能限制。

3. 力学性能的平衡

力学测试显示，发泡长丝保持了TPU固有的高弹性。随着孔隙率增加，材料的杨氏模量（E）和压缩强度适度降低，这是轻量化的必然结果，但并未牺牲其柔性和回弹性能。这种“软而韧”的特性使其非常适合用于可穿戴传感器，能够承受反复的拉伸和弯曲。

结论与展望

该研究证实，CO₂-FAM技术是一种可扩展且可控的轻质导电聚合物泡沫制备路线。它不仅实现了宏观几何形状的数字化制造，还能通过编程工艺参数在微观尺度上定制泡孔结构，从而“按需”调节电学和力学性能。这种解耦密度与导电性的能力，为设计下一代智能穿戴设备（如应变传感器）、柔性电磁屏蔽（EMI）结构和轻量化能源器件打开了新的大门。未来，通过引入更先进的导电填料（如石墨烯）或优化打印路径，有望进一步降低渗流阈值，实现更高性能的多功能集成。