聚醚醚酮及其复合材料增材制造机理与实验研究

发布时间：2020-06-23 16:36

【摘要】：聚醚醚酮是一种高性能半结晶聚合物,因其优异的综合性能受到了广泛的关注。然而随着科技的发展,以聚醚醚酮为代表的特种工程塑料受传统加工工艺的限制,已无法满足在机械制造、生物医疗、航空航天等领域的应用需求。基于材料逐层累积成形的增材制造技术因其可成形任意复杂形状、一体化加工多尺度结构、整体成形免装配等优点,成为了加快实现智能制造的重要手段,是突破聚醚醚酮等特种工程塑料的加工困难和应用受限的有效途径。本文以实现高成形精度、可控力学强度、高生物活性的聚醚醚酮材料增材制造为主线逐级深入,通过在聚醚醚酮增材制造设备搭建、聚醚醚酮及其复合材料制备、聚醚醚酮增材制造成形工艺研究和聚醚醚酮人工骨支架成形及表面改性等方面的研究,实现了聚醚醚酮及其复合材料制造的控形、控性。研究针对聚醚醚酮及其复合材料增材制造装备与关键成形技术,对于推广聚醚醚酮在各领域的应用具有重要的意义。本论文主要研究内容如下:1.研发并搭建了聚醚醚酮增材制造系统,聚醚醚酮增材制造系统主要由运动模块、温度控制模块、挤出模块三部分构成。运动模块实现挤出喷头在三维空间内任意位置的运动;温度控制模块主要是控制系统中喷头、成形基板等部件的温度,维持成形过程中温度场的稳定,降低成形过程中的热应力;挤出模块是实现打印耗材供给、熔融挤出等功能。在LabVIEW软件平台上所开发的聚醚醚酮增材制造系统上位机软件的协调下,实现各个系统间的协同工作,完成任意形状聚醚醚酮及其复合材料的增材制造。2.研究了熔融沉积成形高粘度、高熔点聚醚醚酮增材制造过程中,熔融挤出参数与熔融挤出丝束精度和强度的关系。分析了熔融挤出过程中最大挤出力、最小挤出力和熔腔压力对挤出聚醚醚酮丝束表面形貌和尺寸的影响。通过对聚醚醚酮熔融挤出过程的分析,建立了挤出速度与挤出丝束直径的关系。调控打印速度、挤出倍率实现了对聚醚醚酮打印单丝尺寸和样件内丝束排布的控制。确定了最优聚醚醚酮打印参数,提升了聚醚醚酮熔融沉积打印精度。3.熔融沉积聚醚醚酮样件的力学性能受到熔融挤出量和丝束排布轨迹的影响,分析了熔融挤出参数和丝束排布轨迹在不同打印方向下对熔融沉积聚醚醚酮样件的拉伸性能、冲击性能和断裂韧性的影响。结合对熔融沉积聚醚醚酮样件的断裂形貌的分析,探寻不同打印参数对熔融沉积聚醚醚酮样件力学性能影响的机理。通过对具有交互作用的熔融沉积聚醚醚酮打印参数的调控,可实现具有可控力学性能的聚醚醚酮零件的增材制造。4.通过对羟基磷灰石表面修饰的方法,提升羟基磷灰石的分散性,并制备出可用于增材制造的10 wt.%-40 wt.%羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料。分析了不同HA含量、填充密度、填充图案和应变速率对羟基磷灰石/聚醚醚酮人工骨支架对支架循环压缩过程能量损失、最大压缩强度的影响。通过对HA/PEEK表面磺化处理和HA表面修饰的方法,提升了HA/PEEK支架的表面活性。本文开展了聚醚醚酮及其复合材料增材制造装置、材料、成形工艺和表面处理等方面的研究,实现了高成形精度、可控力学强度、高生物活性聚醚醚酮及其复合材料增材制造,展示了增材制造聚醚醚酮及其复合材料在工业、医疗等领域的巨大潜力,为扩展增材制造聚醚醚酮的应用奠定了基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TB33
【图文】：

（a）CLIP 打印原理图 （b）CLIP 打印的复杂结构件[4图 1.1 CLIP 打印技术利用 SLA 等光刻打印技术也可实现复合材料的增材制造。Minhong将热电材料与光敏树脂混合，并利用 SLA 技术成功的打印出具有热是一种有别于传统热压加工热电材料的新型加工模式。择性激光烧结技术性激光烧结技术（SelectiveLaserSintering,SLS），是通过计算机控制调节下，分层有选择性的在金属、高分子聚合物或陶瓷粉末表面烧实现三维模型的制造[45-47]。SLS 因其能量密度高的优势，被广泛的增材制造。自 1989 年该技术问世以来，衍生出多种金属材料增材激光熔覆技术（SelectiveLaserMelting,SLM）、电子束熔覆技术（EleBM）等。通过上述方法可实现不锈钢、钛合金、钴合金等金属材料术有着成形样件精度高、强度大、能量密度高、废料可回收等优势，

射成形技术成形技术（Binder Jetting, BJ）是通过粘结剂将以陶型数据，粘接成三维实体的增材制造技术。该技术、烧结等的后处理工艺提升颗粒间的粘接强度。斯大学 J.A. Gonzalez 等人[62]通过粘结剂喷射成形技参数，制备出具有良好孔隙连通性的人工骨植入物喷射成形技术制备了钛酸钡样件，通过优化成形参结构。M. Paranthaman 等人[64]采用粘结剂喷射成形磁体。在完成对粉末的粘接后，经低温干燥、固化，和磁性的样件制备。对于粘结剂喷射成形技术，烧烧结工艺是赋予样件最终物理、机械性能的关键。

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本文编号：2727612