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超高強(qiáng)度聚合物材料可在太空間中大量使用

2017-09-11 10:19:37 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：3D科學(xué)谷分享至：

近日，弗吉尼亞理工學(xué)院和科學(xué)院研究人員組成的研究人員通過(guò)3D打印的方法制造了一種超高強(qiáng)度的聚合物材料，因?yàn)樗€在極端溫度下保持很好的機(jī)械性能，因此可以在太空間中大量使用。

隨著工程塑料的性能不斷提高，以塑料替代金屬的案例也隨著更加普遍，這些工程塑料同時(shí)具備高剛性及很好的韌性；加上尺寸穩(wěn)定性、質(zhì)輕及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用面越來(lái)越廣。

通過(guò)這種新穎的3D打印方式制造的塑料可用作隔離太空飛船和衛(wèi)星的高溫聚合物材料，這使得太空飛船和衛(wèi)星在極端的熱和冷的環(huán)境下仍然正常運(yùn)作。

這種材料名為Kapton，是由苯環(huán)內(nèi)的碳和氫組成的芳族聚合物，具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。Kapton最早是由美國(guó)杜邦公司（DuPont）生產(chǎn)的聚酰亞胺（PI）薄膜材料的商品名稱。PI是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的耐熱性較高的一類高分子材料，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、堅(jiān)韌性、耐磨性、阻燃性、電絕緣性等。

但是由于分子結(jié)構(gòu)，Kapton材料基本以薄膜的方式生產(chǎn)出來(lái)，其他的任何形狀都出人意料地難以生產(chǎn)。Kapton經(jīng)常用于航天器、衛(wèi)星和行星式飛輪的外包層的多層絕緣體，以保護(hù)它們免受極端的熱和冷的破壞。

工程學(xué)院和科學(xué)學(xué)院的研究人員能夠合成大分子，使它們保持穩(wěn)定，并保持其熱性能，從而適用于3D打印加工過(guò)程。理論上，這種高性能聚合物可以通過(guò)弗吉尼亞理工學(xué)院的3D打印技術(shù)形成任何形狀、尺寸或結(jié)構(gòu)。這使得這種材料的未來(lái)用途不限于航空航天工業(yè)。因?yàn)椋?dāng)前相同的材料可以適用于數(shù)十種電子設(shè)備，包括手機(jī)和電視機(jī)中的使用。

工程學(xué)院機(jī)械工程系副教授，增材制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研究與教育領(lǐng)域負(fù)責(zé)人Christopher Williams表示：“依靠傳統(tǒng)的加工路線，工程師們只能制作這些材料的薄膜。現(xiàn)在可以3D打印這些材料，可以開始將它們?cè)O(shè)計(jì)和3D打印成更復(fù)雜的形狀，這使得能夠在更廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)利用其優(yōu)異的性能。

目前在三維打印領(lǐng)域中使用的材料在極端的空間環(huán)境中不具有高強(qiáng)度和剛度。通常，可3D打印的工程塑料在約華氏300度環(huán)境下開始失去其機(jī)械強(qiáng)度。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這種新型聚合物的機(jī)械性能可保持在680華氏度（約360攝氏度）以上。這種3D打印的材料具有與常規(guī)加工的薄膜Kapton材料相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

高級(jí)制造系統(tǒng)高級(jí)研究員Williams說(shuō)：”我們可以想象這種材料用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，作為高溫過(guò)濾器或高溫流量噴嘴。通過(guò)3D打印的制造工藝可以提供的廣泛幾何形狀和微尺寸用來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)。比如，一個(gè)更輕便的衛(wèi)星，一個(gè)提供最佳/高效流量的過(guò)濾器，一個(gè)具有設(shè)計(jì)流路的噴嘴，允許更大的退出速度和流體效率“。

圖片：Goodwin Hall的DREAMS Lab實(shí)驗(yàn)室，副教授Christopher Williams和博士生Viswanath Meenakshisundaram在3D打印設(shè)備前

3D科學(xué)谷REVIEW

弗吉尼亞理工學(xué)院的這一發(fā)現(xiàn)的確進(jìn)一步打開了塑料與金屬競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)空間。在當(dāng)前的塑料替代金屬的努力中，3D打印領(lǐng)域的一大派系是復(fù)合塑料材料，如碳纖維增強(qiáng)塑料或者玻璃纖維增強(qiáng)塑料的3D打印。另一大派系是高強(qiáng)度塑料，如PEEK。

圖片：在塑料的性能金字塔上，PI處于高于PEEK的位置。

這其中最具代表性的是OPM牛津性能材料的OXFAB材料，這種PEKK材料”是一種具有卓越的強(qiáng)度、耐化學(xué)性、耐低溫和高溫、耐輻射性，以及優(yōu)異的耐磨損性能的超高性能聚合物“。由于具有這些令人印象深刻的特性，OPM將其與3D打印能夠制造具有獨(dú)特幾何形狀的物體的能力相結(jié)合，專門針對(duì)航空航天、運(yùn)送、能源、醫(yī)療及半導(dǎo)體領(lǐng)域提供低重量、高性能的3D打印部件。

針對(duì)航空航天及工業(yè)制造市場(chǎng)，牛津性能材料還開發(fā)了OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特點(diǎn)，OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性以及定制電性能的能力，這對(duì)于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。在商業(yè)化方面，OPM已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結(jié)構(gòu)件。

3D打印領(lǐng)域的科技獨(dú)角獸企業(yè)Carbon也推出了其氰酸酯樹脂材料，這種材料是一種琥珀色的透明樹脂。固化后具有光滑和光亮的表面（表面與PolyJet技術(shù)的打印表面相似），而且表面經(jīng)過(guò)拋光后會(huì)更光亮。另一方面，氰酸酯樹脂是一種具有熱變形溫度高達(dá)219°C的高性能材料。在高溫下保持良好的強(qiáng)度、剛度和長(zhǎng)期的熱穩(wěn)定性，適用于汽車和航空工業(yè)的模具和機(jī)械零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的高溫環(huán)境應(yīng)用，以及電子和其他發(fā)熱工業(yè)部件。

無(wú)論是通過(guò)復(fù)合增強(qiáng)的方式提升塑料的性能，還是開發(fā)新的高強(qiáng)度塑料，3D科學(xué)谷認(rèn)為塑料替代金屬的努力將繼續(xù)進(jìn)行，而3D打印與高強(qiáng)度塑料結(jié)合的價(jià)值在于，3D打印的自由曲面造型能力，這使得我們所熟悉的產(chǎn)品形狀以更加緊湊、高效能的方式上演著另一場(chǎng)”進(jìn)化論“。

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