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固體潤滑國家重點實驗室3D打印聚酰亞胺取得新進展
日期:2019-03-09 | | 【

  3D打印技術(亦稱增材制造)已發展成爲融合材料設計、制造工藝、應用開發爲一體的功能化制造技術。聚酰亞胺作爲一種特種工程材料,已廣泛應用于航空、航天、微電子、納米、液晶等領域。然而,對于聚酰亞胺開展複雜成形與數字加工極爲困難,造成其應用對象受限。因此,發展高性能、適用于3D打印的聚酰亞胺墨水材料將具有廣泛應用潛能。近年來,國內外已有數篇關于3D打印聚酰亞胺的報道,但其要麽成形後尺寸收縮太大,要麽與傳統聚酰亞胺材料性能相差較遠。因此,高性能聚酰亞胺增材制造正在成爲國內外3D打印及裝備領域面臨的重要挑戰和研究重點之一。 

   

  直書寫增材制造聚酰亞胺墨水制備方法及原理 

  近日,中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王曉龍研究員團隊和江南大學機械學院劉禹教授團隊合作,在原DLP 3D打印聚酰亞胺基礎上(Solvent-free and photocurable polyimide inks for 3D printing J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 16307),成功開發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)。研究人員建立了一種新型的“光固化聚酰胺酸前驅體+熱酰亞胺化”策略,提出利用UV-輔助直書寫打印(UV-DIW)技術完成高性能聚酰亞胺的直接三維複雜成形,實現了相關的材料制造與裝備工藝技術專利創新。 

  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域內首次達到傳統PI材料的80%以上,尺寸收縮率僅爲6%(同于FDMSLA等主流3D打印技術)。在獲取高性能聚酰亞胺材料基礎上,研究人員進一步實現了多種可定制(其它打印技術如SLADLA等無法做到)的構件制造,如曲面聚酰亞胺成形、自由結構(如彈簧、單支懸空件)及耐高溫聚酰亞胺導線(圖2)。 

  更为重要的是,該方法策略不仅适合本研究体系下的聚酰亚胺前驱体制造,而且同样适合其它聚酰亚胺体系,由此能够实现所有通用聚酰亚胺前驱体的增材制造。因此,打印制备的复杂结构机械零部件和模型,有望在微电子、仿生材料、人体医疗、航空航天、汽车制造等领域得到发展和应用,为3D打印先进制造技术在高精度、高耐热性、高强度的复杂结构零部件和机构的直接快速成型制造方面提供了新的机遇。研究人员针对該技术方法和材料申请了多项国内及国际专利,并实现了以聚酰亚胺材料为主体的3D制造工藝裝備創新與一站式産業化應用,相關成果已經獲得國內部分科研院所與企業的高度關注。 

   

  直書寫增材制造聚酰亞胺功能器件及應用 

  以上工作得到了國家重點研發計劃(2016YFC1100401,自然科學基金(51775538,51475484)和甘肅省重大專項(18ZD2WA011)、重點研發(17YFFA139)和自然科學基金(17JR5RA318)等項目的資助。