超高强度聚合物材料 可在太空间中大量使用
2017-09-08 16:00:50
作者：本网整理 来源：3D科学谷
近日，弗吉尼亚理工学院和科学院研究人员组成的研究人员通过3D打印的方法制造了一种超高强度的聚合物材料，因为它还在极端温度下保持很好的机械性能，因此可以在太空间中大量使用。
随着工程塑料的性能不断提高，以塑料替代金属的案例也随着更加普遍，这些工程塑料同时具备高刚性及很好的韧性；加上尺寸稳定性、质轻及耐腐蚀等优点使其应用面越来越广。
通过这种新颖的3D打印方式制造的塑料可用作隔离太空飞船和卫星的高温聚合物材料，这使得太空飞船和卫星在极端的热和冷的环境下仍然正常运作。
这种材料名为Kapton，是由苯环内的碳和氢组成的芳族聚合物，具有出色的热稳定性和化学稳定性。Kapton最早是由美国杜邦公司（DuPont）生产的聚酰亚胺（PI）薄膜材料的商品名称。PI是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料，具有优良的化学稳定性、耐高温性、坚韧性、耐磨性、阻燃性、电绝缘性等。
但是由于分子结构，Kapton材料基本以薄膜的方式生产出来，其他的任何形状都出人意料地难以生产。Kapton经常用于航天器、卫星和行星式飞轮的外包层的多层绝缘体，以保护它们免受极端的热和冷的破坏。
工程学院和科学学院的研究人员能够合成大分子，使它们保持稳定，并保持其热性能，从而适用于3D打印加工过程。理论上，这种高性能聚合物可以通过弗吉尼亚理工学院的3D打印技术形成任何形状、尺寸或结构。这使得这种材料的未来用途不限于航空航天工业。因为，当前相同的材料可以适用于数十种电子设备，包括手机和电视机中的使用。
工程学院机械工程系副教授，增材制造系统设计，研究与教育领域负责人Christopher Williams表示：“依靠传统的加工路线，工程师们只能制作这些材料的薄膜。现在可以3D打印这些材料，可以开始将它们设计和3D打印成更复杂的形状，这使得能够在更广泛的应用范围内利用其优异的性能。
目前在三维打印领域中使用的材料在极端的空间环境中不具有高强度和刚度。通常，可3D打印的工程塑料在约华氏300度环境下开始失去其机械强度。
研究团队表示，这种新型聚合物的机械性能可保持在680华氏度（约360摄氏度）以上。这种3D打印的材料具有与常规加工的薄膜Kapton材料相当的强度。
高级制造系统高级研究员Williams说：”我们可以想象这种材料用于卫星结构，作为高温过滤器或高温流量喷嘴。通过3D打印的制造工艺可以提供的广泛几何形状和微尺寸用来进一步改进现有的设计。比如，一个更轻便的卫星，一个提供最佳/高效流量的过滤器，一个具有设计流路的喷嘴，允许更大的退出速度和流体效率“。
图片：Goodwin Hall的DREAMS Lab实验室，副教授Christopher Williams和博士生Viswanath Meenakshisundaram在3D打印设备前
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弗吉尼亚理工学院的这一发现的确进一步打开了塑料与金属竞争的市场空间。在当前的塑料替代金属的努力中，3D打印领域的一大派系是复合塑料材料，如碳纤维增强塑料或者玻璃纤维增强塑料的3D打印。另一大派系是高强度塑料，如PEEK。
图片：在塑料的性能金字塔上，PI处于高于PEEK的位置。
这其中最具代表性的是OPM牛津性能材料的OXFAB材料，这种PEKK材料”是一种具有卓越的强度、耐化学性、耐低温和高温、耐辐射性，以及优异的耐磨损性能的超高性能聚合物“。由于具有这些令人印象深刻的特性，OPM将其与3D打印能够制造具有独特几何形状的物体的能力相结合，专门针对航空航天、运送、能源、医疗及半导体领域提供低重量、高性能的3D打印部件。
针对航空航天及工业制造市场，牛津性能材料还开发了OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特点，OXFAB具有高度耐化学性和耐热性以及定制电性能的能力，这对于高性能的航空航天和工业零部件十分关键。在商业化方面，OPM已被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件。
3D打印领域的科技独角兽企业Carbon也推出了其氰酸酯树脂材料，这种材料是一种琥珀色的透明树脂。固化后具有光滑和光亮的表面（表面与PolyJet技术的打印表面相似），而且表面经过抛光后会更光亮。另一方面，氰酸酯树脂是一种具有热变形温度高达219°C的高性能材料。在高温下保持良好的强度、刚度和长期的热稳定性，适用于汽车和航空工业的模具和机械零件，例如发动机罩下的高温环境应用，以及电子和其他发热工业部件。
无论是通过复合增强的方式提升塑料的性能，还是开发新的高强度塑料，3D科学谷认为塑料替代金属的努力将继续进行，而3D打印与高强度塑料结合的价值在于，3D打印的自由曲面造型能力，这使得我们所熟悉的产品形状以更加紧凑、高效能的方式上演着另一场”进化论“。
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