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超高強度聚合物材料可在太空間中大量使用

2017-09-08 16:00:50 作者：本網整理來源：3D科學谷分享至：

近日，弗吉尼亞理工學院和科學院研究人員組成的研究人員通過3D打印的方法制造了一種超高強度的聚合物材料，因為它還在極端溫度下保持很好的機械性能，因此可以在太空間中大量使用。

隨著工程塑料的性能不斷提高，以塑料替代金屬的案例也隨著更加普遍，這些工程塑料同時具備高剛性及很好的韌性；加上尺寸穩定性、質輕及耐腐蝕等優點使其應用面越來越廣。

通過這種新穎的3D打印方式制造的塑料可用作隔離太空飛船和衛星的高溫聚合物材料，這使得太空飛船和衛星在極端的熱和冷的環境下仍然正常運作。

這種材料名為Kapton，是由苯環內的碳和氫組成的芳族聚合物，具有出色的熱穩定性和化學穩定性。Kapton最早是由美國杜邦公司（DuPont）生產的聚酰亞胺（PI）薄膜材料的商品名稱。PI是20世紀50年代發展起來的耐熱性較高的一類高分子材料，具有優良的化學穩定性、耐高溫性、堅韌性、耐磨性、阻燃性、電絕緣性等。

但是由于分子結構，Kapton材料基本以薄膜的方式生產出來，其他的任何形狀都出人意料地難以生產。Kapton經常用于航天器、衛星和行星式飛輪的外包層的多層絕緣體，以保護它們免受極端的熱和冷的破壞。

工程學院和科學學院的研究人員能夠合成大分子，使它們保持穩定，并保持其熱性能，從而適用于3D打印加工過程。理論上，這種高性能聚合物可以通過弗吉尼亞理工學院的3D打印技術形成任何形狀、尺寸或結構。這使得這種材料的未來用途不限于航空航天工業。因為，當前相同的材料可以適用于數十種電子設備，包括手機和電視機中的使用。

工程學院機械工程系副教授，增材制造系統設計，研究與教育領域負責人Christopher Williams表示：“依靠傳統的加工路線，工程師們只能制作這些材料的薄膜。現在可以3D打印這些材料，可以開始將它們設計和3D打印成更復雜的形狀，這使得能夠在更廣泛的應用范圍內利用其優異的性能。

目前在三維打印領域中使用的材料在極端的空間環境中不具有高強度和剛度。通常，可3D打印的工程塑料在約華氏300度環境下開始失去其機械強度。

研究團隊表示，這種新型聚合物的機械性能可保持在680華氏度（約360攝氏度）以上。這種3D打印的材料具有與常規加工的薄膜Kapton材料相當的強度。

高級制造系統高級研究員Williams說：”我們可以想象這種材料用于衛星結構，作為高溫過濾器或高溫流量噴嘴。通過3D打印的制造工藝可以提供的廣泛幾何形狀和微尺寸用來進一步改進現有的設計。比如，一個更輕便的衛星，一個提供最佳/高效流量的過濾器，一個具有設計流路的噴嘴，允許更大的退出速度和流體效率“。

圖片：Goodwin Hall的DREAMS Lab實驗室，副教授Christopher Williams和博士生Viswanath Meenakshisundaram在3D打印設備前

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弗吉尼亞理工學院的這一發現的確進一步打開了塑料與金屬競爭的市場空間。在當前的塑料替代金屬的努力中，3D打印領域的一大派系是復合塑料材料，如碳纖維增強塑料或者玻璃纖維增強塑料的3D打印。另一大派系是高強度塑料，如PEEK。

圖片：在塑料的性能金字塔上，PI處于高于PEEK的位置。

這其中最具代表性的是OPM牛津性能材料的OXFAB材料，這種PEKK材料”是一種具有卓越的強度、耐化學性、耐低溫和高溫、耐輻射性，以及優異的耐磨損性能的超高性能聚合物“。由于具有這些令人印象深刻的特性，OPM將其與3D打印能夠制造具有獨特幾何形狀的物體的能力相結合，專門針對航空航天、運送、能源、醫療及半導體領域提供低重量、高性能的3D打印部件。

針對航空航天及工業制造市場，牛津性能材料還開發了OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特點，OXFAB具有高度耐化學性和耐熱性以及定制電性能的能力，這對于高性能的航空航天和工業零部件十分關鍵。在商業化方面，OPM已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結構件。

3D打印領域的科技獨角獸企業Carbon也推出了其氰酸酯樹脂材料，這種材料是一種琥珀色的透明樹脂。固化后具有光滑和光亮的表面（表面與PolyJet技術的打印表面相似），而且表面經過拋光后會更光亮。另一方面，氰酸酯樹脂是一種具有熱變形溫度高達219°C的高性能材料。在高溫下保持良好的強度、剛度和長期的熱穩定性，適用于汽車和航空工業的模具和機械零件，例如發動機罩下的高溫環境應用，以及電子和其他發熱工業部件。

無論是通過復合增強的方式提升塑料的性能，還是開發新的高強度塑料，3D科學谷認為塑料替代金屬的努力將繼續進行，而3D打印與高強度塑料結合的價值在于，3D打印的自由曲面造型能力，這使得我們所熟悉的產品形狀以更加緊湊、高效能的方式上演著另一場”進化論“。

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責任編輯：殷鵬飛

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