高強(qiáng)度、超低收縮率聚酰亞胺增材制造新方法及工藝裝備

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聚酰亞胺作為一種特種工程材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐高溫性、抗化學(xué)腐蝕及優(yōu)良介電特性，已廣泛應(yīng)用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。然而，對(duì)于聚酰亞胺開(kāi)展復(fù)雜成形與數(shù)字加工極為困難，造成其應(yīng)用對(duì)象受限。因此，發(fā)展高性能、適用于3D打印的聚酰亞胺墨水材料將具有廣泛應(yīng)用潛能。

近兩年，國(guó)內(nèi)外已數(shù)篇關(guān)于3D打印聚酰亞胺的報(bào)道（J. Mater. Chem. A. 2017, 5, 16307; Adv. Mater. 2017, 1701240; ACS Macro Lett. 2018,  7, 4, 493-497. ; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018,  10, 41, 34828-34833），但其要么成形后尺寸收縮太大，要么與傳統(tǒng)聚酰亞胺材料性能相差較遠(yuǎn)，其實(shí)際應(yīng)用仍受到較大限制。因此，高性能聚酰亞胺增材制造正在成為國(guó)內(nèi)外3D打印及裝備領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)和研究重點(diǎn)之一。


近日，中科院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王曉龍教授的3D打印摩擦器件研究團(tuán)隊(duì)和江南大學(xué)機(jī)械學(xué)院劉禹教授的精密智能系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)合作，成功開(kāi)發(fā)了一種適用于高性能聚酰亞胺增材制造的紫外輔助直書(shū)寫(xiě)工藝（Direct Ink Writing of High Performance Architectured Polyimides with Low Dimensional Shrinkage. Adv. Eng. Mater. 2019, 1801314）。

本工作中，研究人員建立一種新型的“光固化聚酰胺酸前驅(qū)體+熱酰亞胺化”策略，提出利用UV-輔助直書(shū)寫(xiě)打�。║V-DIW）技術(shù)完成高性能聚酰亞胺的直接三維復(fù)雜成形，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的材料制造與裝備工藝技術(shù)專利創(chuàng)新。

圖1. 直書(shū)寫(xiě)增材制造聚酰亞胺墨水制備方法及原理

該3D打印聚酰亞胺材料的機(jī)械性能、耐熱性及熱機(jī)械性能在領(lǐng)域內(nèi)首次達(dá)到傳統(tǒng)PI材料的80%，尺寸收縮率僅為6%（同于FDM、SLA等主流3D打印技術(shù)）。

研究人員認(rèn)為：實(shí)現(xiàn)如此優(yōu)異的聚酰亞胺材料增材制造，并非是隨手牽來(lái)，需要反復(fù)的材料定制化制造工藝摸索，而最終所有的過(guò)程參數(shù)都是在一個(gè)較為窄的區(qū)間才能能夠達(dá)到穩(wěn)定的最優(yōu)效果。

在雙方團(tuán)隊(duì)獲取高性能聚酰亞胺材料基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多種可定制（其它打印技術(shù)無(wú)法做到）的構(gòu)件制造，如曲面聚酰亞胺成形、自由結(jié)構(gòu)（如彈簧、單支懸空件）及耐高溫聚酰亞胺導(dǎo)線（圖2）。

圖2. 直書(shū)寫(xiě)增材制造聚酰亞胺功能器件及應(yīng)用

更為重要的是，該方法策略不僅適合本研究體系下的聚酰亞胺前驅(qū)體制造，而且這種制備方同樣適合其它聚酰亞胺體系，由此能夠?qū)崿F(xiàn)所有通用聚酰亞胺前驅(qū)體的增材制造。

因此，打印制備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零部件和模型，有望能夠在微電子、仿生材料、人體醫(yī)療、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用，為3D打印先進(jìn)制造技術(shù)在高精度、高耐熱性、高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件和機(jī)構(gòu)的直接快速成型制造方面提供了新的機(jī)遇。

對(duì)此研究人員對(duì)這項(xiàng)技術(shù)方法和材料申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)及國(guó)際專利，并合作進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)以聚酰亞胺材料為主體的3D制造工藝裝備創(chuàng)新與一站式產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，相關(guān)成果已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)部分科研院所與企業(yè)的高度關(guān)注。


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