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,版權(quán)歸原出處所有