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Team开发出可用于太空的新型3-D印刷高性能聚合物

发布时间:2019-01-27 13:43:58 来源:

弗吉尼亚理工大学的研究人员创造了一种新型的三维印刷方法,用于将太空船和卫星与极端高温和低温隔离开来的高温聚合物材料。

以前,聚酰亚胺以前只能用片材制成。

这种材料,正式名称为Kapton,是一种由苯环内的碳和氢组成的芳香族聚合物,具有出色的热稳定性和化学稳定性。但是由于这种分子结构,众所周知难以以薄片以外的任何形式生产该材料。Kapton经常用于多层绝缘,形成航天器,卫星和行星探测器的外包裹,以保护它们免受极端高温和低温的影响。它经常被误认为是“金箔”。

在为期一年的过程中,来自工程学院和科学学院的研究人员能够合成大分子,使其保持稳定并保持其热性能,以便在3D打印中进行处理。有了这一突破,高性能聚合物现在理论上可以用于任何形状,尺寸或结构。而不仅仅是航空航天业。相同的材料可以在许多电子设备中找到,包括手机和电视。

“传统的加工路线限制了工程师只用这些材料制作薄膜,”工程学院机械工程系副教授兼增材制造系统设计,研究和教育领导人Christopher Williams说。 DREAMS)实验室。“现在我们可以对这些材料进行三维打印,我们可以开始设计并将它们打印成更复杂的三维形状,这使我们能够在更广泛的应用范围内利用它们的优异性能。”

目前用于3D打印的材料在极端空间所需的宽冷热温度范围内不具有高强度和刚度。通常,可印刷聚合物在约300华氏度时开始失去其机械强度。

研究小组表示,这种新聚合物的性能维持在680华氏度以上。“我们现在能够印刷最高温度的聚合物 - 挠曲温度比任何其他现有的可印刷聚合物高出约285华氏度。另外,我们的3-D印刷材料具有与传统加工的薄膜Kapton材料相当的强度, “威廉姆斯说。

(材料在降解前的耐热天花板是1,020华氏度。)

“我们可以想象这被用于打印卫星结构,用作高温过滤器或高温流动喷嘴,”先进制造系统电子机械公司高级教职研究员威廉姆斯说。“我们可以想象使用3D打印提供的宽几何和微尺度可能性来进一步改进现有设计 - 例如,更轻巧的卫星,提供最佳/高效流动的过滤器,具有设计流路的喷嘴,允许更大退出速度和效率。“

该项目的一个关键的早期突破发生在Timothy Long的实验室,他是化学系的教授,也是科学学院的一部分,也是弗吉尼亚理工大学重要研究所的大分子创新研究所(MII)的主任。技术与应用科学。威廉姆斯是信息产业部的副主任。

在那里,Long与当时的博士后研究员Maruti Hegde合作,他现在是北卡罗来纳大学教堂山分校的研究助理,正在探索用芳香族聚合物(如Kapton)制作3D打印形状的可能性。研究人员和研究生团队能够推出新型聚合物合成设计,使聚酰亚胺能够进行3D打印。威廉姆斯的实验室由印度班加罗尔的工程学院博士生Viswanath Meenakshisundaram和新泽西州Westfield的Nicholas Chartrain领导,然后进行了三维打印的过程。

“我们选择了一种相当普遍的高温和高强度聚合物,因为我们希望能够对现有技术产生快速影响,”Long说,并补充说,能够制造出任何形状的这种3D打印材料都可以成为关键市场,如航空航天业。事实上,Long表示公司已经表现出对新材料的早期兴趣,该材料已获得美国专利。

两个团队花了一年时间测试材料在极端高温和低温情况下的性能,并微调材料的机器打印方式。威廉姆斯和朗的作品最近发表在高级材料杂志上,题目是:处理不可加工的。

Williams和Long合作开展了涉及3D打印的众多项目。

“在一天结束时,我们是彼此最大的啦啦队,”威廉姆斯谈到他在科学学院的Long实验室的工作。长期补充说:“我们互相挑战聚合物结构必须如何发明或重新发明,以实现3D打印。我们常常开玩笑说我是DREAMS实验室的博士后研究员,他是博士后研究员。我的实验室。这真的是创新的伙伴关系。“

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