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新型3D打印智能材料研究现状分析

2016-12-21 09:50
水墨黯月
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目前3D打印在工业领域已经得到了较大规模的应用,随着技术的不断进步和发展,3D打印材料也性能在不断提高,价格在不断下降;目前主流的3D打印工艺:FDM、SLA、SLM使用的材料,分别为ABS,PLA(用于FDM);光敏树脂(用于SLA);尼龙粉末(用于SLS);金属粉末(用于SLM)。但是除了这些现在已经成为主流的3D打印材料之外,还有哪些正在研究,将来可能成为主流的3D打印材料呢,下面小编将为大家做个简单介绍。

1.1 3D打印电活性聚合物材料

电活性聚合物材料(Electroactive Polymer,EAP)是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料,是智能材料的一个重要分支。离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal composites,IPMC),Bucky Gel和介电弹性材料(Dielectric elastomers, DE)分别是EAP的典型代表。制造三维复杂形状电活性聚合物结构是该领域的重要研究课题。

1.1.1 3D打印IPMC

IPMC材料是在离子交换膜基体两表面制备出电极而形成的复合材料,在外界电压作用下,材料内部的离子和水分子向电极一侧聚集,导致质量和电荷分布的不平衡,从而宏观上产生弯曲变形。由传统方法制备出的IPMC材料绝大多数为片状,受传统制备方法的限制,很难制备出复杂形状的IPMC智能材料。

Evan Malone和Hod Lipson在2006年首次提出了借助3D打印技术,制造三层结构和五层结构IPMC智能材料。该研究组将Nafion溶液与酒精和水的混合溶液作为打印IPMC基体的前体材料,将Ag微小颗粒与Nafion溶液混合液体作为IPMC电极材料,先通过3D打印硅胶材料制备出一个立方体硅胶容器,然后通过喷头逐点累加固化电极-Nafion基体-电极三层结构。3D打印制备的硅胶容器作为接下来3D打印IPMC的支撑,防止喷头喷出的液体在固化之前流动而影响IPMC的制备。为了减少溶液的挥发和延长IPMC智能材料的使用寿命,Malone课题组在3D打印3层结构IPMC基础上进行改进,在固化形成的电极外侧打印固化一层由Hydrin C thermoplastic(Zeon Chemicals L.P.)材料形成的不可被水渗透的低导电性电极保护层。3D打印制造的五层结构IPMC可以将溶液封存于IPMC之中,有效增长了使用寿命。图1为结构示意图及3D打印制备的IPMC。

尽管采用3D打印技术制备出的片状IPMC与传统工艺制备出的片状IPMC在性能上具有较大差距,但是这种新的IPMC智能材料3D打印技术为制造复杂形状IPMC三维结构奠定了基础,使今后直接增材制造制造任意形状IPMC智能结构成为可能。

1.1.2 3D打印Bucky Gel Actuator/Sensor

Bucky Gel是最新研究发展的一种离子型电活性聚合物智能材料,Bucky Gel的组成和驱动传感原理类似于IPMC。Bucky Gel由三层结构组成,中间基体材料为由聚合物和离子液体构成的电解质层,基体材料两边为由碳纳米管、聚合物和离子液体构成的电极材料,在两侧电极加载电压时,离子液体中的阴阳离子向两个电极移动,引起Bucky Gel的弯曲。

传统Bucky Gel的制备方法常采用溶液铸膜法(Solution Casting Method),分层分别固化电极和基体层,制备出的Bucky Gel大多为片状,难以制备复杂形状的Bucky Gel。N.Kamamichi于2008年提出用3D打印技术制造Bucky Gel,利用3D打印技术逐点累加固化电极-基体材料-电极,可以制备任意复杂形状的Bucky Gel。该课题组利用3D打印技术制造手形状的Bucky Gel(图2),利用3D打印技术可以克服传统制备方法的缺陷,制造任意形状Bucky Gel智能材料结构。

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