直写式3D打印碳纤维/碳化硅陶瓷性能优化

在陶瓷制备过程中,烧结工艺至关重要,不仅影响陶瓷的显微组织结构,而且决定着陶瓷的力学性能。因此,为提升碳化硅/碳纤维陶瓷样品的性能,优化烧结工艺。采用直写式3D打印的方式,以碳纤维/碳化硅为打印材料,通过三同轴喷嘴挤出打印,以4种不同的烧结工艺烧结打印的碳纤维/碳化硅陶瓷样品,分析不同烧结工艺对碳纤维/碳化硅陶瓷样品,组织和性能的影响。结果表明:经烧结工艺3,即浸渍液聚碳硅烷与二甲苯的比例为2∶3、以10℃·min^(-1)的升温速率达到烧结温度,烧结后的碳纤维/碳化硅陶瓷样品的组织和性能最好,其致密度可达到95.5%,抗弯强度可达到156 MPa。

直写式3D打印NdFeB永磁体工艺研究

针对钕铁硼脆性大、价格昂贵、不易切削加工的问题,提出了采用直写式3D打印方法制备钕铁硼。研究固含量及油酸分散剂对3D打印墨水的影响,发现墨水为90%磁粉,0.05mL油酸的黏度和稳定性最好。对挤出压力及打印速度进行研究,发现挤出压力为1kg/cm2,打印速度为30mm/s,打印的坯体成型较好,线条粗细均匀,长时间放置下未变形坍塌,成功制备出多种形状的钕铁硼磁体。研究发现120℃固化5h后的3D打印钕铁硼磁体依然保持较高磁性能。本文为低温制备复杂形状钕铁硼提供新途径,具有广泛的应用前景。

基于直写式硅胶3D打印柔性材料工艺参数研究

针对目前柔性器件制备工艺繁琐,柔性材料在沉积过程中流动性难以控制等不足,提出了利用直写式硅胶3D打印技术制备柔性器件。利用自主设计构建的直写式硅胶3D打印系统,在基板直接沉积高黏度硅胶,研究喷嘴距基板高度、喷嘴沉积移动速度、层高等工艺参数对硅线线宽、硅线形态的影响规律。结果表明:当打印的工艺参数为喷嘴距基板高度为0.1 mm,喷嘴沉积移动速度为15 mm/s,层高为0.32 mm时,打印器件的结构稳定性能最佳。

用于紫外光辅助直书写3D打印的光敏硅橡胶墨水性能研究

基于巯烯点击化学反应,制备了一系列可用于紫外光辅助直书写3D打印的硅橡胶墨水,利用旋转流变仪、固体流变仪、紫外可见分光光度计等分析了交联剂巯基含量、白炭黑用量对光敏硅橡胶墨水流变性、透光性、光固化深度和力学性能的影响。结果表明,白炭黑用量和交联剂巯基含量的增加均能提高墨水的屈服应力,同时降低制品的透明性,从而降低固化深度;制品的力学性能受交联剂巯基含量、白炭黑补强效应、固化深度的综合影响。当交联剂巯基含量较低时,制品拉伸强度随白炭黑用量的增加而提高;但当交联剂巯基含量很高时,较高的白炭黑用量反而会降低制品的力学强度;可根据需求调节交联剂巯基含量和白炭黑用量,进而平衡墨水的各项性能,使墨水具有良好的可打印性。采用紫外光辅助直书写3D打印,可实现一般直写技术难以完成的无塌陷、大跨距结构的制备。

碳纤维/碳化硅直写式3D打印参数优化研究

直写式3D打印的工艺参数直接影响打印试件的成型精度,为了提高碳化硅/碳纤维打印件成型精度,本文以碳纤维/碳化硅为打印材料,通过三同轴喷嘴挤出打印,确定喷嘴外径-中径-内径的挤出压强分别为0.4 MPa、0.5 MPa、0.3 MPa;以打印工艺参数为优化目标,设计填充率、分层厚度以及打印速度的三因素三水平正交试验,通过试验结果的极差分析和方差分析,对打印工艺参数的三个因素进行讨论。结果表明:对打印厚度的影响程度依次是打印速度>填充率>分层厚度;对打印长宽度的影响程度依次是分层厚度>打印速度>填充率。最终确定最佳的打印工艺参数组合为:在挤出压力为0.4 MPa、0.5 MPa、0.3 MPa下,打印速度为0.6 mm/s,分层厚度为0.7 mm,填充率为70%。

直写式硅胶3D打印系统设计

针对柔性器件制备工艺复杂、定制化程度低等问题,课题组设计了直写式硅胶3D打印系统。该系统利用精密螺杆泵将高黏度单组份室温固化硅橡胶挤出,通过三轴运动平台对胶线的轨迹进行精准控制,经逐层堆积以及室温固化实现柔性器件的精确制备;通过测量堆垛结构的线距和对标准哑铃试样力学性能测试,对制备的柔性器件进行尺寸及静力学分析。结果表明:制备样品尺寸的相对误差在3%以内,哑铃式样机械性能良好,系统可以按要求进行柔性器件打印。直写式硅胶3D打印系统为柔性器件的制备提供更简化的工艺以及丰富的个性化定制。

适用于直写式3D打印陶瓷浆料的流变学性能研究

目的提出用于直写式3D打印陶瓷浆料的制备方法和应满足的性能。方法通过对4种不同陶瓷原料粉末的粒径分布进行表征,将4种粉末制备成浆料并测量其流变学性能,分析不同阶段高分子的引入对浆料流变学性能的影响。结果对于较小孔径(250μm和150μm)的打印过程,原料粉末粒径绝对值需小于3μm且d90和d10的差值需小于2μm,同时粘弹性的浆料需具有较好的触变性。结论浆料流变学性能可为直写式3D打印提供指导。浆料的触变性对于大尺寸、高厚度的样品而言尤为重要,需要在今后的工作中得到重视。

复合固体推进剂直写式3D打印工艺及其性能

开展了高固含量含能材料——复合固体推进剂的增材制造技术研究,开发出气动直写式增材制造打印系统,研制了相应的光固化三组元推进剂配方。同时,通过感度测试表明该光固化推进剂配方与普通热固化三组元配方危险等级相当,可以实现较安全打印。通过打印工艺参数的调节等大量试验研究,确定了打印头直径为1.5~2 mm,打印头直径越大精度越低,并获得了不同形状固含量75%和80%的推进剂药柱,进一步热固化后测试其抗拉强度分别为0.68、0.61 MPa,最大伸长率为31%、30%,密度为1.60、1.63 g/cm^(3),6.68 MPa下的静态燃速为5.10、8.81 mm/s。随后,采用固含量80%的推进剂配方打印了∅127 mm试验发动机药柱,成功实现地面点火,测得发动机的平均动态燃速为r—=9.034 mm/s,平均压强为p—t b=6.112 MPa。

光交联硅胶材料的3D打印工艺

鉴于硅胶材料具有优越的性能,有望满足软体机器人复杂结构设计的需求,为此开发了一种基于硫醇烯点击化学反应机理的光固化硅胶弹性体墨水,通过直写式打印技术和光固化工艺,实现复杂结构的快速成型。首先以亲水气相二氧化硅纳米颗粒作为物理填料添加到乙烯基与巯基材料配置的低黏度光敏硅胶墨水中,分析不同质量分数二氧化硅纳米颗粒对硅胶墨水流变性能的影响。然后基于流变结果对二氧化硅纳米颗粒的质量分数进行调节,实现硅胶墨水打印性能的优化,随后对打印的基本性能进行了测试,最后通过直写式打印技术采用优化后的硅胶墨水进行多种复杂结构的打印,通过光固化工艺实现边打印边固化。实验结果显示,DMS-V31、SMS-142、SMS-022和TPO-L质量比为2 g∶0.24 g∶0.24 g∶0.008 g的墨水具有易于挤出、可打印复杂结构的能力,固化后的模型具有较高的成型精度,断裂伸长率可达到65%,远超屈服应变。最后制备了具有高纵横比的单腔中空结构和不同容积特异性双腔结构,再次验证了此工艺具有打印复杂结构的能力。

直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

多孔陶瓷具有耐高温、可控孔结构、高孔隙率、化学稳定性和生物惰性等特点,是应用于支柱、生物、催化和电气等领域的理想材料。传统多孔陶瓷的制造方法主要有颗粒堆积、添加造孔剂、发泡、溶胶-凝胶等。近年来,随着增材制造技术的发展,直写成型技术因其简单的设备构造和良好的浆料兼容性,被广泛应用于制造复杂结构和图案的多孔陶瓷。本文综述了直写成型多孔陶瓷的技术方法及其在各领域的应用,详细分析了直写成型技术制备多孔陶瓷材料的优劣势,提出了直写成型制备多孔陶瓷所面临的挑战,并对直写成型制备多孔陶瓷技术发展趋势进行了展望。

聚合物转化陶瓷3D打印技术研究进展

聚合物转化陶瓷具有抗氧化、耐腐蚀、耐高温等优异性能,这使其在发现以来的短短50年时间里得到迅速发展,在航空航天、机械、能源、信息和微电子等领域表现出重要的应用价值。近年来,随着3D打印(增材制造)技术的兴起,3D打印制备聚合物转化陶瓷的研究逐渐开展,突破了聚合物转化陶瓷异形部件制备的技术瓶颈,为聚合物转化陶瓷关键零部件的生产与应用开辟了新途径。本文针对3D打印技术在聚合物转化陶瓷制备领域中的应用,重点阐述了利用立体光固化技术与墨水直写技术制备聚合物转化陶瓷的研究现状与进展,并对今后聚合物转化陶瓷3D打印技术的发展进行了展望。

木质素基复合材料的直写式3D打印及其功能应用

作为自然界最丰富的可再生芳香族生物质资源,木质素近年来在能源、环境、医学等领域受到广泛关注。其中,采用3D打印技术构建具有特定结构和功能的木质素基复合材料是提升木质素附加值的重要途径之一,同时可有效避免木质素化学结构复杂多变、多分散性高、刚性大等在传统材料制备过程中带来的负面影响。本文围绕木质素基复合材料的直写式3D打印,重点综述了近年来木质素基复合材料在直写式3D打印方面的研究成果与进展。首先介绍了木质素的结构特性及直写式3D打印技术;然后系统总结了木质素流变学特性与其打印性能之间的构-效关系;最后讨论了3D打印的木质素基复合材料在能源、环境等领域的应用现状及其面临的挑战,并展望了木质素基复合材料在直写式3D打印方面的发展方向。

直写式3D打印环氧树脂复合材料的研究进展

综述了近年来直写式3D打印(DW)环氧树脂复合材料通过在体系中添加纳米粘土、碳纤维、SiC晶须及氮化硼等填料,提高打印产品性能的研究进展,以及DW成型工艺根据不同材料的特性进行的调控改进,此外还介绍了DW环氧树脂复合材料在医学、航空、电子学等方面的应用进展,并对今后的研究方向作了展望。

二氧化钛陶瓷浆料的制备及其直写成型3D打印

直写成型技术是一种基于浆料挤出的3D打印技术,具有设备简单、投入低,可在温和条件下制备出精细复杂的三维结构的优点,在先进陶瓷制备领域潜力巨大。但直写成型技术目前面临材料缺乏、浆料制备困难等难题。为此,首先自主研发了一种基于气压式的新型直写成型3D打印机。在此基础上,以二氧化钛为原料,选用聚乙烯醇(PVA)作为流动助剂和粘结剂,制备了适用于直写成型的二氧化钛陶瓷浆料,研究了PVA含量对浆料流变行为及其直写成型可打印性的影响。在此基础上,打印加工了具有复杂形状和结构的二氧化钛制件,考察了其断面形貌、打印精度,并进一步分析了其烧结后的性能等。结果表明PVA的加入有效的降低浆料的黏度,提高其流动性,有助于其3D打印,改善了打印制件层与层之间的粘结情况,但PVA含量大于10wt%后,会导致浆料在沉积阶段出现坍塌现象。此外,PVA含量增加后,会导致烧结件硬度降低,收缩率增加。