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3D打印制备新材料技术:自动传布光敏聚合物波导法

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     近年来,波音下属的HRL实验室在利用3D打印技术制备新材料方面取得了显著成绩,开发出一种称为“自动传布的光敏聚合物波导法”的成型技术。这种由HRL自主开发、能实现快速大批量生产原型零件的方法,是美国国防预研局(DARPA)授予的历时10年的一项轻质、高强材料开发合同中的一部分。依靠该技术,HRL实验室已于近期制备出超轻金属材料和陶瓷材料。

  基本原理及优点

  自动传布光敏聚合物波导法与立体平版印刷(SLA)/数字光处理(DLP)有相似之处,但又不完全相同,其诀窍是让紫外线穿透平板印刷掩膜上的小孔,照射到树脂上使其固化。与此同时,设置光波导直至树脂槽底部,使受照的轴内光线得以校准。在该方法中,由于紫外线照射会衰减,因而要依靠树脂柱内表面连续向下反射而形成光波导,使得紫外线通过波导效应穿透液体树脂。依靠该方法可创建出独特的轻质、高强桁架结构。

  与传统3D打印方法相比,自动传布光敏聚合物波导法从紫外线照射到形成固体材料仅需30s;而使用传统的3D打印技术,如普通SLA打印机打印25~50mm高的物体,整个过程需要耗时4~8h。

  自动传布的光敏聚合物波导法可用于设计制造尺寸不同的微点阵结构,并可获得不同的材料特性,如柔性、弹性、刚性以及韧性等。

  3D打印制备新材料技术:自动传布光敏聚合物波导法

  用不同后处理方法得到不同的材料

  尽管该方法可生产各种不同种类的微点阵材料,但其中也存有一些棘手的问题。首先是材料的Z轴性能严重受限,由于紫外线可穿透树脂厚度的限制,材料的最大Z轴高度仅为约25mm;其次是树脂材料在紫外线的照射下性能会产生退化。

  制备超轻金属和耐高温陶瓷材料

  采用不同的后处理方法,如涂层或铸造,可以得到不同的最终材料。例如,镍气凝胶材料就是以电镀的方式在树脂微点阵结构的表面镀上一层超薄的镍,制成超轻镍基微点阵材料。在制造这种超轻材料时,首先采用3D打印技术制备所需结构的微点阵模板,再利用紫外线直接照射到光反应单体树脂上,通过成千上万的小洞、一个掩膜和一层石英,从而形成光波导,即可制造出3D微点阵结构。在造出微点阵结构以后,在微结构表面进行化学镀或者电镀敷设金属薄膜,在经烧蚀或化学刻蚀掉树脂微结构后,即得到超轻空心管状微点阵金属材料。当然,如果不用金属来制造镀层,用其他材料也可以制成各种不同的微点阵结构,并且将具有不同的属性。

  陶瓷材料用于高温或极端环境下的发动机热端部件、火箭喷口和头锥等,但将其通过铸造或机械加工制成所需形状非常困难。近年,3D打印工艺的出现使得复杂几何形状陶瓷件的加工生产成为可能。

  但是,采用传统3D打印工艺打印陶瓷时,无论是沉积含有陶瓷微粒的光敏树脂、在陶瓷微粒上喷射黏结剂,还是利用激光熔融陶瓷粉末床,都会受到生产速度的限制,而且经常难以避免耗时较长的黏结剂清除过程。因而,目前3D打印出来的陶瓷产品往往会出现裂缝或材料不均匀,可靠性及强度均较低。另外,目前的大部分3D打印陶瓷可使用的材料也只有相对较低熔点的氧化物陶瓷,使零件的高温性能受到限制。

  HRL实验室利用自动传布的光敏聚合物波导法和新型聚合物树脂配方,已验证了快速制备高强、复杂几何形状陶瓷零件的能力。这种新型的聚合物树脂由HRL实验室的高级化学工程师Zak Eckel和资深化学家Chaoyin Zhou发明,在制造陶瓷部件时,首先将该树脂制成具有复杂外形的零件,然后置于炉中烧制,待树脂热解后,材料即均匀收缩成高密度陶瓷零件。采用这种聚合物树脂可以制造碳氧化硅陶瓷部件,具备高硬度、强度、耐高温、耐磨以及耐腐蚀等性能。

  在利用这种聚合物树脂制造陶瓷前驱体单体时,HRL实验室起初也是采用传统的SLA工艺来制造复杂外形,但需要数小时甚至数天时间。为此HRL实验室采用自动传布光敏聚合物波导法来快速、大批量生产树脂原型零件,不仅生产速度快,而且可以制造出微点阵结构的超轻陶瓷材料。这种方法可以制造耐温超过1700℃的碳氧化硅陶瓷零件,其强度类似于蜂窝陶瓷材料的10倍左右,而且也可以制造其他陶瓷材料零件。

  HRL实验室表示,陶瓷前驱体聚合物以及聚合物衍生陶瓷研究并非刚刚兴起。此类材料早在1960年代就已开发出来,当将其加热到1000℃并处于氩气等惰性气体下,聚合物发生热解,可形成许多种类陶瓷化合物,包括碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化铝,以及各种碳氮化物等。与此同时,易挥发的化学物如甲烷、氢、二氧化碳、水以及碳氢化合物等挥发掉,即留下致密、收缩的陶瓷形状。在HRL实验室登载于2016年1月1日《科学》杂志的 “聚合物转化陶瓷的增材制造” 实验报告中,研究团队表示在烧结过程中碳氧化硅前驱体聚合物产生了42%的重量损失及30%线性收缩,但其收缩“非常均匀”,因此是可以预测的,并可以据此来测算成品的尺寸。

  目前,美国海军实验室已用该陶瓷制备技术制造出微尺度桁架结构,演示了多种多样的微结构、蜂窝、凹蜂窝等,并表现出良好的柔性。

  借助于新技术,HRL可制造出两种实用的陶瓷产品:一种是体积大重量却非常轻的微点阵结构,可以用于制造飞机与航天器的耐热板和其他外部部件;另一种是小型且复杂的部件,可用于制造机电系统、喷气发动机或火箭部件等。

  新材料和新工艺的应用前景

  HRL实验室开发的超轻材料减重可达40%,有望用于新一代航天器。一旦HRL完成进一步的测试,那些正在通过MCMA项目来寻求小型耐高温部件的火箭和卫星设计者就很可能开始尝试使用该项技术。

  微点阵材料的成果虽然最近才见诸报道,实际其相关原理的研究在十几年前就已开展。金属微点阵结构被认为有可能在未来成为复合材料的强劲对手,当然复合材料也可以被做成微点阵结构,因此工业界认为复合材料在面临强力竞争的同时也存在机遇。

  有机硅先驱体聚合物热解转化法制备陶瓷材料的研究,是当前高性能陶瓷材料研究的热点和新的生长点。利用新型3D打印技术,陶瓷材料也可利用微点阵技术而成型出新的复杂结构,进而为高温陶瓷材料的应用开辟新的道路。

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