光固化型3D打印聚合物材料研究进展

光固化3D打印是增材制造领域中发展历史最为悠久,也是目前发展速度最快、应用最为广泛的技术之一。这项技术利用紫外光或其他形式的光源实现液态光敏聚合物的快速固化,制造出传统加工方法难以实现的具有复杂几何结构的产品。本文总结3D打印光固化聚合物材料的最新研究进展,涵盖不同类型的光固化聚合物材料,包括具有高重塑能力的热塑性聚合物、结构稳定性良好的热固性聚合物以及具有亲水性网络交联结构的水凝胶。此外,详细介绍光固化3D打印聚合物在生物医疗、柔性电子器件、软机器人、能源存储和航空航天等领域的研究与应用;还探讨光固化技术在4D打印中的应用,突出4D打印在动态材料和智能制造方面的潜力。未来,光固化3D打印技术将朝着高性能聚合物复合材料的研发、智能化与自动化打印系统的集成,以及与人工智能等前沿技术深度结合等方向迈进,不断推动其在高精尖领域和制造业中的应用与变革。

改性纳米氮化硼对纤维金属层板的性能影响

纤维金属层板是一种由金属薄板与纤维层依次交替铺叠而成,在一定的温度与压力下粘结固化形成的一种混合复合材料。因为其中有金属与纤维两种材料,因此它既有金属的富延展性、韧性强与导热性好等优点,又具有复合材料纤维的抗疲劳、耐高强度与低密度等特点。文章以提升环氧复合材料基体的拉伸与断裂韧性性能和改善FMLs的性能,尤其是冲击与弯曲性能为主要目的,采用向FMLs环氧树脂基体中添加纳米氮化硼(h-BN)的方法,来提升纤维金属层板的力学性能。先对氮化硼材料进行一系列的球磨改性处理,分成不同含量的组分依次加入环氧树脂基体中,确定用量最好的四组,再将这四组环氧树脂复合材料基体用湿法铺层的方法铺在铝薄板与碳纤维布之间,使用硫化机固化的方式制备FMLs试件,利用水切割技术切割成标准试样,并进行冲击与弯曲测试。实验结果表明,向FMLs的环氧树脂基体中添加一定量的纳米氮化硼对FMLs的性能有着积极的影响。

增塑剂DOS在EPDM绝热层中的迁移特性

为了优化丁羟(HTPB)推进剂与三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层的应用匹配性,采用浸泡实验、接触实验和复合验证等方法,研究了HTPB推进剂中的增塑剂癸二酸二异辛酯(DOS)向EPDM绝热层迁移的特性及其对绝热层性能的影响规律。结果表明:由于极性相近,DOS容易向EPDM绝热层中发生大量迁移,其初期迁移量较显著且饱和迁移量约为52%;EPDM橡胶的结构参数对绝热层硫化胶的耐DOS迁移特性影响不明显;致密的绝热层交联网络有利于减少DOS在其中的迁移量;绝热层厚度增加时,DOS迁移速率变缓,迁入量减小。HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系复合验证结果表明:在推进剂固化过程中DOS已向绝热层发生迁移,导致绝热层的力学性能和烧蚀性能大幅下降;推进剂固化结束后,绝热层的力学性能下降了55%,线烧蚀率增加了20%;70℃贮存30 d时,力学性能下降超60%,线烧蚀率增加了28%;在EPDM绝热层与HTPB衬层之间设置一层环氧基阻迁移层,可以大幅降低推进剂中的增塑剂DOS在绝热层中的迁移量且能够形成良好粘结。

硅树脂/EPDM绝热材料的性能及陶瓷化机理

采用SEM、TG、DSC、拉伸试验和氧-乙炔烧蚀试验,研究了硅树脂对EPDM绝热材料力学性能、热稳定性以及耐烧蚀性能的影响,并分析了硅树脂/EPDM绝热材料在烧蚀过程中炭化层的陶瓷化机理。结果表明:随着硅树脂含量的增加,绝热层的抗拉强度和断裂伸长率均有所降低;在硅树脂含量为35 phr时,绝热层的热稳定性以及耐烧蚀性能最好,残炭率能达到30%左右,线烧蚀率最小为0.048 mm/s;观察形貌发现,含硅树脂绝热层烧蚀后形成的炭化层更致密坚硬,孔洞更小,耐冲刷性能更好。添加硅树脂能够有效提高EPDM绝热层的耐烧蚀性能,其作用机理主要是通过高温下分解产生的硅氧化物与碳进行碳热还原反应形成碳化硅和其熔融态将炭化层粘结在一起,最终形成一种类陶瓷结构的炭化层。

无光耐沾污蒙皮面漆的研制及其应用

介绍了蒙皮涂层耐沾污性的影响因素以及无光蒙皮面漆耐沾污的难点。对比了丙烯酸树脂体系无光、半光、高光漆膜的耐沾污性,并研究了氟碳树脂的添加量对无光漆膜耐沾污性的影响。结果表明:无光丙烯酸树脂体系的漆膜因消光粉添加量高,其表面粗糙度大,导致耐沾污性较差;在丙烯酸树脂体系中加入氟碳树脂,可提高无光漆膜的耐沾污性;且当丙烯酸树脂与氟碳树脂的比例接近1:1时,既能满所需的性能要求,又能降低成本。

聚磷腈复合材料的烧蚀数值仿真

聚磷腈(PDPP)弹性体具有优异的阻燃性、抗小分子迁移能力和低发烟量特性,在固体火箭发动机内绝热层中具有潜在应用价值。为预测PDPP复合材料的耐烧蚀性能,首先利用热重曲线计算PDPP复合材料的热解反应动力学参数,然后基于阿伦尼乌斯方程、傅里叶热传导方程和达西定律建立复合材料的烧蚀模型,最后使用COMSOL软件对复合材料的烧蚀过程进行数值仿真,预测复合材料在给定工况下的温度分布、热解程度分布、孔隙压力分布、热解气体质量通量分布和烧蚀表面退移。结果表明,计算所得线烧蚀率为0.067 mm/s,与氧-乙炔试验结果对比误差为11.7%。PDPP复合材料烧蚀过程中的温度分布会影响基体的热分解反应,使热解层的位置逐渐向底面移动,相应地最大孔隙压力和热解气体质量通量区域逐渐向材料内部移动且两者数值逐渐减小。

可陶瓷化EPDM绝热材料的烧蚀特性及陶瓷化机理

绝热层中炭化层的特性与其耐烧蚀性能紧密相关。通过对可陶瓷化三元乙丙(EPDM)绝热材料氧乙炔烧蚀特性和成分进行表征分析,得到了线烧蚀率与炭化层不同参数之间的相关性,分析了类陶瓷炭化层的形成机理。结果表明,当可陶瓷化硅树脂填料含量在35~40 phr时,炭化层结构更致密,硬度更高,孔隙率更小,陶瓷产物更多,有效提高了EPDM绝热层的耐烧蚀性能;线烧蚀率与炭化层的结构与成分之间存在强相关性;类陶瓷炭化层结构的形成主要分为高分子聚合物的热分解、小分子物质的化学气相沉积、烧蚀表面SiC的原位生成和熔融SiO_(2)在炭化层中的填充粘结四个阶段,最终形成一种Si—O—C的复相陶瓷结构。

基于生物可降解材料的高分子结晶实验教学

该结晶综合实验通过差示扫描量热(DSC)、正交偏光显微镜(POM)、小角激光散射(SALS)等实验方法,研究了丁二酸丁二酯/甲基丁二酸丁二酯无规共聚物(PBSMS)中非晶共聚单元甲基丁二酸丁二酯含量对共聚物热性能、结晶动力学和结晶形态等的影响。整个实验包括实验设计、小组合作、汇总实验结果、进行数据分析、建立物理模型等环节,最后得出了研究结论。实验研究结论与理论知识和文献报道结果一致,加深了学生对理论知识的理解和掌握。通过本实验,学生的实验设计能力、综合分析能力和科研思维都得到了很好的训练。

固体发动机绝热层横观各向同性超弹性本构模型

固体火箭发动机绝热层因内部存在短纤维,其力学行为难以准确表征,为了建立考虑短纤维影响的本构模型,针对芳纶短纤维增强三元乙丙橡胶材料开展了平行于压延方向(0°)与垂直于压延方向(90°)的拉伸试验,验证了绝热层材料内部短纤维近似定向分布的假设;同时基于断面SEM图像分析了绝热层材料的纤维抽离、纤维断裂、基体损伤等失效行为。基于试验观测,在应变能密度函数中引入纤维项,建立了适用于绝热层材料的横观各向同性超弹性本构模型,并通过0°、45°和90°单轴拉伸试验验证了该模型的准确性,不同角度预测误差均在10%以内。最后,利用该模型给出了在不同方向上绝热层简单变形的应力响应表达式。

木质素接枝聚乳酸微球制备及骨细胞培养研究

木质素基可降解材料近年来在生物医用领域受到越来越多的关注,但目前其在细胞培养微载体上的应用还有待进一步开发。研究利用烷基化的碱木质素引发左旋丙交酯开环聚合,首次采用不同分子量的木质素接枝聚乳酸(LGPL-L, LGPL-H)制备微球。通过仿生矿化评估不同微球材料诱导矿化的能力,反映其骨生物活性。将不同微球与MG-63(人骨肉瘤细胞)成骨细胞共培养后,不同微球材料组中的细胞活力如下:LGPL-L>LGPL-H>PLLA(左旋聚乳酸)。实验结果表明:相比聚乳酸微球,木质素基聚乳酸微球诱导矿化的能力较强,与人成骨细胞共培养后的黏附和增殖效果更好,并揭示了其作为细胞培养载体的应用潜力。

CNTs增强EPDM绝热材料抗粒子增强机制研究

为了揭示碳纳米管(CNTs)增强三元乙丙橡胶(EPDM)绝热材料(CNTs-EPDM)的烧蚀特性以及CNTs对EPDM抗粒子冲刷性能的影响机制,采用粒子冲刷烧蚀发动机构建了高温高速粒子冲刷烧蚀环境,测试了CNTs-EPDM的抗粒子冲刷性能;采用扫描电镜、透射电镜观察CNTs-EPDM的烧蚀炭化层形貌,分析了微观尺度下CNTs对炭化层特性、炭化层内热化学消耗、气相沉积等的影响。结果表明,高温高速粒子射流冲刷烧蚀环境下,CNTs对炭化层力学性能的增强发挥主导作用,即相对于EPDM基础配方,CNTs-EPDM配方的炭化层展示出优异的抗压缩性能,帮助其更好地抵挡高温高速粒子射流的冲刷,由此增强了CNTs-EPDM的抗烧蚀性能,其炭化速率比基础配方下降了68.1%。

SO_(2)/盐雾环境对导电橡胶性能的影响

为了研究导电橡胶在SO_(2)/盐雾环境下的适应性,针对以石墨烯为导电填料的导电氟醚橡胶和以合金镍粉为导电填料的导电硅橡胶,开展“SO_(2)/盐雾”实验,通过导电橡胶的宏观形貌、邵尔A硬度、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度和体积电阻率等性能测试,分析“SO_(2)/盐雾”环境对导电橡胶性能的影响。结果表明:实验前,导电氟醚橡胶和导电硅橡胶的邵尔A硬度相当,导电氟醚橡胶的拉伸强度高于导电硅橡胶,体积电阻率低于导电硅橡胶。经过8个循环的“SO_(2)/盐雾”实验,导电氟醚橡胶的宏观形貌未发生变化,邵尔A硬度下降3,拉伸强度上升0.8 MPa(5%),拉断伸长率下降18%,体积电阻率上升2.1Ω·cm(65.8%),撕裂强度无变化;导电硅橡胶发生明显的腐蚀,表面出现绿色腐蚀产物,邵尔A硬度逐渐降低,拉伸强度下降了1.2 MPa(16.4%),拉断伸长率下降2%,体积电阻率降低3.00Ω·cm(52.4%),撕裂强度无变化。综合各项性能,导电氟醚橡胶在“SO_(2)/盐雾”环境中的适应性优于导电硅橡胶。

多元嵌段有机硅防热涂层制备及性能研究

面向未来高速飞行器的热防护需求,为解决有机硅防热涂层在气动热条件下易粉化剥蚀的问题,开展了多元嵌段有机硅防热涂层制备及性能研究。基于树脂分子结构创新的思路,设计并合成了具有嵌段结构的有机硅树脂,制备出了适用于高热流环境的有机硅防热涂层,并采用FT-IR、TG、SEM-EDS、电弧风洞试验等微观和宏观手段分别对树脂基体和涂层材料进行了表征分析;此外,通过对多元嵌段有机硅涂层高温下的烧蚀产物研究,分析了高温下涂层材料微结构演化规律。结果表明,目标产物多元嵌段有机硅树脂纯度较高、热稳定性较好,在1000℃氮气环境下的质量保留率为55.97%;以此为基体的防热涂层具有优异的综合性能,密度、伸长率、热导率三项关键指标分别为0.70~0.72 g/cm^(3)、16%~25%、0.05~0.06 W/(m·K)(20℃);在最高1044℃、310 s的风洞烧蚀条件下,涂层表面陶瓷化效果显著,无烧蚀后退,验证了由表及里分别为瓷化层、热解层、原始层的有机硅防热涂层烧蚀模型。

网状聚氨酯泡沫材料的发展

介绍了用于飞机燃油箱以及干舱填充用的防火防爆网状聚氨酯泡沫材料最初的发展以及改进和使用情况。网状聚氨酯泡沫是一种轻质、柔性材料 ,它由相互连接的经络构成了空间“骨架”结构 ,这种结构实际上是一种三维的防火屏蔽。网状聚氨酯泡沫材料的防火防爆性能是经过实战检验的 ,并且在应用中不断得以改进。填充在飞机燃油箱中的网状聚氨酯泡沫材料能有效地减少由于射弹、电火花、雷击以及静电等原因引起的燃油箱过压 ,从而有效地减少了飞机的易损性 。

TDE-85环氧树脂固化动力学的DSC和DMA研究

根据DSC和DMA测试曲线,分别用Kissinger、Flynn-Wall-Ozawa、Friedman-Reich-Levi模型计算了TDE-85/THPA环氧树脂体系的固化动力学参数。Kissering法所得活化能较低,其他几种计算方法所得活化能比较一致,相对误差在10%之内。将Gaussian分布应用于分峰法,计算了每个反应的动力学参数,模拟结果与DSC曲线具有很好的一致性。双峰表明,固化过程包含2个化学反应,缩水甘油脂基的反应活性比脂环基高。利用外推法确定了固化工艺为100℃/6 h+130℃/4 h+160℃/2 h。

聚酰亚胺电导率随温度和电场强度的变化规律

介质深层充电对航天器安全运行构成了重大威胁.以聚酰亚胺为代表的此类聚合物绝缘介质的电导率受温度影响显著,又因为充电过程中局部产生强电场（10^7V/m量级）,因此,其电导率模型需要综合考虑温度和强电场的影响,这对介质深层充电的仿真评估意义重大.已有的两类模型,不是低温区间不适用,就是没有充分考虑强电场的影响.基于跳跃电导理论,本文分析对比了现有电导率模型,提出了适用于较宽温度范围且合理考虑强电场增强效应的电导率新模型,并采用某型聚酰亚胺电导率测试数据做出验证.此外,为了提高新模型在强电场下的低温适用范围,尝试对强电场因子中的温度做变换,取得了满意的效果.参数敏感度分析表明新模型在电导率拟合与外推方面具有参数少、适用性强的优势.

空间材料Kapton的真空紫外与原子氧复合效应研究

对空间常用聚合物材料Kapton开展了真空紫外辐射及其与原子氧复合效应的地面模拟试验研究 ,总结了试验前后试样外观、质量、表面形貌、光学参数和表面成分的变化规律 ,并对反应机理作了初步的分析 .结果表明 :在原子氧的作用下 ,Kapton的剥蚀主要是碳氮等元素的氧化所致 .而在真空紫外辐射的作用下 ,Kapton表面会交联形成大分子 ,从而提高了试样的抗原子氧剥蚀性能 .但是 ,随着原子氧累积通量的增大 ,这层大分子会逐渐被剥蚀掉 ,而真空紫外辐射 。

聚苯基三苯乙炔基硅烷的制备及热分解动力学

以苯乙炔和苯基三氯硅烷为原料,通过格氏反应制备了可反应型苯基三苯乙炔基硅烷单体,利用红外、核磁对其结构进行了表征。以此为原料,通过热聚合法制备了高残炭率的含硅芳炔树脂,该树脂的Td5分解温度约570℃,800℃时聚合物的残炭率约75%。利用TGA-DTG研究了该聚合物的热分解动力学,并计算了相应动力学参数。用Kissinger法和Ozawa法求得的聚合物热分解活化能分别为295.82 kJ/mol和262.70 kJ/mol;用Crane法求得聚合物的热分解反应级数为0.96,反应近似为一级反应。

混合型固化剂对环氧树脂室温和低温力学性能的影响

研究了一种刚性和柔性胺混合型固化剂(芳香胺DETD和聚醚胺D-400)固化环氧树脂浇铸体的力学性能、材料断裂表面的微观形貌和玻璃化转变温度等性能。结果表明:当D-400加入量占固化剂总量的40%时,其室温拉伸强度呈现最大值,为82.52 MPa,弹性模量为2.30 GPa,与未加D-400的体系相比分别提高了6.3%和14.4%,其低温冲击强度提高了14%。对冲击断面形貌进行扫描电子显微分析表明:D-400的加入致使断口形貌变得粗糙,抗开裂能力得到提高。热分析实验结果显示,体系的玻璃化转变温度随着D-400含量的增加而降低。此外,还探讨了环氧树脂体系低温增韧机制。

环氧化端羟基聚丁二烯/H_(12) MDI型聚氨酯固化工艺的研究

采用环氧化端羟基聚丁二烯(EHTPB)与H12MDI固化交联形成聚氨酯弹性体,利用DSC外推法研究了EHTPB/H12MDI型聚氨酯固化的最佳反应温度,再通过测量固化产物的力学性能研究了其他最佳固化工艺参数,包括反应时间、固化剂H12MDI用量、EHTPB环氧值以及扩链剂BDO用量,并在相同条件下对端羟基聚丁二烯(HTPB)/H12MDI和EHTPB/H12MDI固化产物的力学性能进行了比较。结果表明,EHTPB/H12MDI固化产物具备更好的力学性能,并得到了EHTPB/H12MDI型聚氨酯弹性体的最佳固化工艺条件。