中科院蘭州化物所3D打印含油自潤滑材料研究獲進(jìn)展

來源： 蘭州化學(xué)物理研究所

聚合物基含油自潤滑復(fù)合材料憑借輕質(zhì)、耐腐蝕、低噪音且長期免維護(hù)的特性，在航空航天和汽車工業(yè)等前沿領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)方法制備含油自潤滑復(fù)合材料，多采用先制備多孔材料后填充潤滑劑的兩步法，存在工藝復(fù)雜和含油率低等問題，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形。因此，發(fā)展新型聚合物基含油自潤滑材料與器件快速成形技術(shù)具有重要意義。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員王曉龍團(tuán)隊提出了微乳液增材制造聚合物含油自潤滑復(fù)合材料的新策略，采用光固化3D打印一步實(shí)現(xiàn)了含油自潤滑復(fù)合材料與復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零部件成形（圖1）。

圖1. 微乳液材料的制備、打印及自潤滑機(jī)理

該方法借助滑石粉（talc）對微油滴的穩(wěn)定作用，實(shí)現(xiàn)了潤滑油微液滴均勻穩(wěn)定分散的微乳液光敏樹脂。通過數(shù)字光處理（DLP），3D打印在光敏墨水由液態(tài)到固態(tài)的固化過程中將微油滴固定在材料體系中，從而一步得到了含油聚合物自潤滑復(fù)合材料。

該研究通過對材料體系中各組分含量和制備過程的有效控制，實(shí)現(xiàn)了PAO微油滴在墨水中的穩(wěn)定分散（圖2）。研究采用SEM發(fā)現(xiàn)，該微乳液體系經(jīng)過光固化3D打印后被均勻地固定在材料體系中（圖3）。摩擦測試表明，該微乳液3D打印制備的含油自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)可降至0.1以下，比純聚合物降低了82.9 %（圖4），同時，磨損體積有大幅降低，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。

圖2. 不同時間墨水中微油滴的分散狀態(tài)。（a）24 h，（b）48 h，（c）72 h，（d）96 h。

圖3. 固-液復(fù)合自潤滑材料斷面SEM表面形貌

圖4. 3D打印含PAO自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)（a、b）和磨損體積（c、d）

結(jié)合3D打印自由制造與快速成形的特點(diǎn)，科研人員設(shè)計制作了不同種類齒輪和軸承保持架，發(fā)現(xiàn)了采用3D打印制造的器件尺寸收縮率均小于2%，證明了微乳液3D打印成形的結(jié)構(gòu)具有高的尺寸穩(wěn)定性和精度（圖5），具備制造精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形能力。這種基于3D打印的新型聚合物含油自潤滑復(fù)合材料成形策略，為制造自潤滑復(fù)合結(jié)構(gòu)及其跨尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件成形提供了新的思路和材料技術(shù)方案。

圖5. 3D打印微乳液含油自潤滑器件

相關(guān)成果以Vat photopolymerization 3D printing of oil filled cyanate ester for one-step fabricating self-lubricating parts為題，發(fā)表在Composites Part B上。

基于以上策略，該團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)展了基于3D打印的自脫模模具的成形技術(shù)。相關(guān)成果以3D printing of release-agent retaining molds為題，發(fā)表在Additive Manufacturing上。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計劃、中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃、蘭州化物所青年學(xué)者聯(lián)合基金和蘭州市城關(guān)區(qū)科技計劃等的支持。

論文鏈接：


https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359836823004997

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2214860423001938