中科院與江南大學合作開發管固化聚酰亞胺增材制造的紫外輔助直書寫三維復雜成型工藝

中科院與江南大學合作開發管固化聚酰亞胺增材制造的紫外輔助直書寫三維復雜成型工藝

文章來源： 高分子科學前沿   

近日，中科院蘭州化學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機械學院劉禹教授的精密智能系統工程團隊合作，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）。本工作中，研究人員建立一種新型的“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復雜成形，實現了相關的材料制造與裝備工藝技術專利創新。

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域內首次達到傳統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）。研究人員認為：實現如此優異的聚酰亞胺材料增材制造，并非是隨手牽來，需要反復的材料——定制化制造工藝摸索，而最終所有的過程參數都是在一個較為窄的區間才能能夠達到穩定的最優效果。在雙方團隊獲取高性能聚酰亞胺材料基礎上，進一步實現多種可定制（其它打印技術無法做到）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，由此能夠實現所有通用聚酰亞胺前驅體的增材制造。因此，打印制備的復雜結構機械零部件和模型，有望能夠在微電子、仿生材料、人體醫療、航空航天、汽車制造等領域得到發展和應用，為3D打印先進制造技術在高精度、高耐熱性、高強度的復雜結構零部件和機構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方法和材料申請了多項國內及國際專利，并合作進一步實現以聚酰亞胺材料為主體的3D制造工藝裝備創新與一站式產業化應用，相關成果已經獲得國內部分科研院所與企業的高度關注。

圖2. 直書寫增材制造聚酰亞胺功能器件及應用

3D打印技術（亦稱增材制造），自20世紀80年代首次推出以滿足模型制作和快速成型（RP）的高度專業化需求，最近已發展成為融合材料設計、制造工藝、應用開發為一體的功能化制造技術。增材制造技術能夠通過金屬，陶瓷和聚合物等材料生產定制部件，而無需模具或機械加工，既提升了對于材料的充分利用，更為加強了部件結構與功能復雜性。

聚酰亞胺作為一種特種工程材料，具有優異的機械性能、耐高溫性、抗化學腐蝕及優良介電特性，已廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。然而，對于聚酰亞胺開展復雜成形與數字加工極為困難，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。近兩年，國內外已數篇關于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，要么與傳統聚酰亞胺材料性能相差較遠，其實際應用仍受到較大限制。因此，高性能聚酰亞胺增材制造正在成為國內外3D打印及裝備領域面臨的重要挑戰和研究重點之一。