吉林大學：具有高比強度和耐溫性的輕質聚酰亞胺蜂窩的3D打印

供稿人：王正 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

輕質結構通常應用于需要高比強度的應用，例如飛機，車輛和各種發(fā)動機部件。其中3，3'，4，4'-聯(lián)苯四羧酸二酐（BPDA）和對苯二胺（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≈400°C）和機械性能（拉伸強度超過500 MPa）。然而，它的熱阻阻礙了現(xiàn)有3D打印技術的使用。

為了研究上述問題，吉林大學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度和熱阻的復雜輕質聚酰亞胺幾何形狀（圖1）。BPDA與水溶性PDA和三乙胺（TEA）的簡單水聚合反應得到了聚銨鹽（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前體轉化為BPDA-PDA聚酰亞胺（UPILEX-S型）。由此產生的逐層沉積到三角形，方形和六角形結構形式的輕質聚酰亞胺蜂窩上，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打印技術獲得的蜂窩結構

結果表明，固化后的熱處理對于提高印刷結構的機械和熱穩(wěn)定性至關重要。打印后熱處理為凝膠提供了全芳香族BPDA-PDA聚酰亞胺結構，其熱穩(wěn)定性高達590°C。 通過改變結構和密度，可以系統(tǒng)地調整三角形、方形和六角形蜂窩的抗壓強度范圍為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度。方形3D打印蜂窩的比強度比傳統(tǒng)蜂窩部件（如HRH327）高出約200%。

這項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的機械性能，設計自由度和高效率，適用于航空航天，汽車和微電子應用。

圖3 3D打印PI蜂窩的機械性能

參考文獻：
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).