高強度,、超低收縮率聚酰亞胺增材制造新方法及工藝裝備

來源：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,，對于聚酰亞胺開展復(fù)雜成形與數(shù)字加工極為困難，造成其應(yīng)用對象受限,。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,，國內(nèi)外已數(shù)篇關(guān)于3D打印聚酰亞胺的報道（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)和研究重點之一,。


近日，中科院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王曉龍教授的3D打印摩擦器件研究團(tuán)隊和江南大學(xué)機械學(xué)院劉禹教授的精密智能系統(tǒng)工程團(tuán)隊合作,，成功開發(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寫工藝（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-輔助直書寫打�,。║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. 直書寫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械性能,、耐熱性及熱機械性能在領(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,，需要反復(fù)的材料定制化制造工藝摸索,，而最終所有的過程參數(shù)都是在一個較為窄的區(qū)間才能能夠達(dá)到穩(wěn)定的最優(yōu)效果。

在雙方團(tuán)隊獲取高性能聚酰亞胺材料基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步實現(xiàn)多種可定制（其它打印技術(shù)無法做到）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. 直書寫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,、高強度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件和機構(gòu)的直接快速成型制造方面提供了新的機遇。

對此研究人員對這項技術(shù)方法和材料申請了多項國內(nèi)及國際專利,，并合作進(jìn)一步實現(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)獲得國內(nèi)部分科研院所與企業(yè)的高度關(guān)注。


來源：高分子科學(xué)前沿