基于剪切变稀直接3D打印功能复合材料及其应用性能研究
作者单位：中北大学
学位级别：硕士
导师姓名：孙友谊
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
摘 要：3D打印(也称为增材制造AM)由于可减少浪费、能源消耗和生产时间,以及还支持复杂设备的大规模定制成为当今制造技术重要发展方向之一。根据3D打印机制,目前,公开报道的3D打印技术主要包括粘合剂喷射(BJ)、材料喷射(MJ)、光聚合(DLP、SLA)、粉末烧结熔融(SLS)、能量沉积(DED)和薄板层压(LOM)、熔融挤出(FDM)、直接墨水书写(DIW)等。在这些3D打印技术中,直接墨水书写(DIW)是最通用的AM技术,因为它适用于更多材料,其中几乎任何材料都可以通过该技术构造成复杂的3D形状,例如陶瓷、聚合物、金属或复合(或多材料)结构。众所周知,墨水的设计和合成是DIW技术最重要的部分。不幸的是,许多已被证明在工业中广泛使用的功能性或复合材料无法应用于DIW技术。这是因为很难设计和制备同时具有良好剪切变稀效果和高模量的功能性或复合油墨材料。到目前为止,只有少数文献报道了“真正的多材料或复合结构。此外,油墨材料的有机溶剂或水含量通常较高,而固体含量通常较低,以实现良好的剪切变稀性能。因此,在干燥、脱脂和固化后,它很容易导致DIW结构的微孔和尺寸变化。这些问题限制了DIW技术在工业中的实际应用,到目前为止,DIW技术主要是在实验室进行小规模制造。本论文针对上述问题,设计了一种新型DIW墨水,结合自主开发的基于螺旋挤出机制的DIW 3D打印设备,构造出不同材料体系的3D结构,相对传统DIW墨水,具有较高普适性,几乎可以与任何材料复合形成DIW打印墨水,且固含量高,3D打印结构致密度高,孔洞少,具有优异的综合性能,在实际工业中具有广泛应用前景。主要研究结果与创新点如下:(1)报道了一种由三乙醇胺和油酸铵组成的超分子相互作用凝胶体系,不仅具有良好强度,且具有优异的剪切变稀效应,适用于DIW 3D打印墨水。更重要的是几乎任何材料(如橡胶、塑料、陶瓷、金属和复合材料)都可以集成到该墨水系统中,然后可以通过剪切变稀DIW方法进行3D打印。此外,该墨水体系的固体含量高于80%,避免了3D打印结构干燥过程中多孔结构的形成和成型后的尺寸变化。采用该墨水体系和3D打印方法,构造了基于天然橡胶/磁性复合材料的柔性压力传感器,用于实时监测人类健康。这项工作为开发各种实际应用的3D打印材料提供了一种新方法。(2)基于三乙醇胺和油酸组成的超分子相互作用凝胶体系,设计制备了玻璃纤维(GF)和丁腈橡胶(NBR)复合DIW打印墨水,结合自主开发的3D打印设备,构造GF取向(如0°、45°和90°)可精确控制的GF/NBR复合材料,并系统探索了在NBR基体中GF取向对其复合材料的力学性能和导热性能影响规律。研究结果显示,GF取向为90°的GF/NBR复合材料的拉伸强度比取向为0°或无序的GF复合材料分别提高了333.3%和246.7%。此外,我们评估了90°取向的GF/NBR复合材料的散热性能,发现这种散热材料覆盖的LED器件和计算机CPU的温度分别降低了约8.1℃和4.1℃。该研究为大规模制备纤维填料有序排列和分布的聚合物复合材料提供了一种通用方法,可用于各种应用。(3)基于油酸铵组成的超分子相互作用凝胶体系,设计制备了AlODIW打印墨水,结合自主开发的3D打印设备,构造了拥有毫米、微米和纳米多级结构的尺寸可控多孔AlO陶瓷材料。系统探索了mm和μm尺度对多孔陶瓷力学和隔热性能影响规律。研究结果显示,具有毫米级孔隙和更小微米级孔隙的3D打印泡沫陶瓷具有更好的隔热性和较低的抗压强度。此外,我们评估了该多级结构的多孔AlO陶瓷材料在芯片隔热中应用,结果显示,采用该隔热材料,芯片温度降低约20°C。该研究提供了一种新的方法来构建尺寸精确可调的多级多孔氧化铝陶瓷,解决了传统陶瓷材料由于脆性大问题,其尺寸难以精确控制的难题,并为多孔氧化铝陶瓷在便携式设备或消费电子产品中开辟了新的应用。
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