吉林大學(xué)：具有高比強(qiáng)度和耐溫性的輕質(zhì)聚酰亞胺蜂窩的3D打印

供稿人：王正 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用于需要高比強(qiáng)度的應(yīng)用，例如飛機(jī)，車輛和各種發(fā)動(dòng)機(jī)部件。其中3，3'，4，4'-聯(lián)苯四羧酸二酐（BPDA）和對(duì)苯二胺（PDA）型（UPILEX-S型）聚酰亞胺表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（Tg高達(dá)≈400°C）和機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度超過500 MPa）。然而，它的熱阻阻礙了現(xiàn)有3D打印技術(shù)的使用。

為了研究上述問題，吉林大學(xué)Chengyang Wang等展示了一種3D打印方法，用于生成具有前所未有的比強(qiáng)度和熱阻的復(fù)雜輕質(zhì)聚酰亞胺幾何形狀（圖1）。BPDA與水溶性PDA和三乙胺（TEA）的簡(jiǎn)單水聚合反應(yīng)得到了聚銨鹽（PAAS）水凝膠。這些PAAS解決方案具有明顯的剪切變稀性和熱可逆性，以及高G′凝膠態(tài)模量，這確保了凝膠狀態(tài)下的自支撐特征和形狀保真度。

打印后熱處理將PAAS前體轉(zhuǎn)化為BPDA-PDA聚酰亞胺（UPILEX-S型）。由此產(chǎn)生的逐層沉積到三角形，方形和六角形結(jié)構(gòu)形式的輕質(zhì)聚酰亞胺蜂窩上，研究和討論了不同蜂窩形狀試樣在拉伸和壓縮載荷作用下的機(jī)械性能，樣件制備過程如圖2所示。

圖1 （a）熱敏性PAAS水凝膠的合成;（b）3D打印過程的示意圖。

圖2 通過3D打印技術(shù)獲得的蜂窩結(jié)構(gòu)

結(jié)果表明，固化后的熱處理對(duì)于提高印刷結(jié)構(gòu)的機(jī)械和熱穩(wěn)定性至關(guān)重要。打印后熱處理為凝膠提供了全芳香族BPDA-PDA聚酰亞胺結(jié)構(gòu)，其熱穩(wěn)定性高達(dá)590°C。 通過改變結(jié)構(gòu)和密度，可以系統(tǒng)地調(diào)整三角形、方形和六角形蜂窩的抗壓強(qiáng)度范圍為12.6至43.5 MPa，密度范圍為150至400 kg/m–3，而與室溫下的值相比，保持了三分之二的強(qiáng)度。方形3D打印蜂窩的比強(qiáng)度比傳統(tǒng)蜂窩部件（如HRH327）高出約200%。

這項(xiàng)工作為制造各種全芳香族聚酰亞胺提供了新的途徑，這些聚酰亞胺具有可調(diào)的機(jī)械性能，設(shè)計(jì)自由度和高效率，適用于航空航天，汽車和微電子應(yīng)用。

圖3 3D打印PI蜂窩的機(jī)械性能

參考文獻(xiàn)：
Wang C , Ma S , Li D , et al. 3D Printing of Lightweight Polyimide Honeycombs with the High Specific Strength and Temperature Resistance[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(13).