聚合物及其复合粉末的制备与选择性激光烧结成形研究

摘要

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering SLS 借助于计算机辅助设计与制造，采用分层制造叠加原理，将固体粉末直接成形为三维实体零件。用聚合物及其复合粉末成形功能件是SLS 技术的一个重要发展方向，具有广阔的应用前景。虽然国内外研究者对聚合物及其复合粉末的制备与SLS 成形进行了较为深入的研究，但仍存在大量的技术性难题急需解决，本研究针对其中的一些关键性技术难题进行了系统研究。
　　 系统地研究了聚合物材料特性包括粉末粒径、粒径分布、颗粒形状、粘度、聚集态结构以及本体强度对SLS 成形的影响，为SLS 用聚合物材料的选择与制备提供了一定的理论依据。
　　 系统地研究了次级烧结及Z 轴“盈余”的形成原因及其影响因素，对控制聚合物SLS 成形过程中的次级烧结和“Z 轴”盈余，提高聚合物SLS 成形件的精度具有一定的参考价值。
　　 针对常用的非晶态聚合物聚苯乙烯（PS的SLS 成形件强度较低，在后处理工艺中易造成精度损失，提出将非晶态聚合物苯乙烯-烯腈共聚物（SAN 用于SLS研究了SAN 粉末的制备、SLS 成形及后处理，并将其SLS 成形件性能与PS 进行了对比研究，结果表明：SAN的SLS 成形件强度明显高于PS 因而使用SAN 粉末可以制造出结构更加精细、复杂的SLS 成形件；将SAN的SLS 成形件进行涂渗环氧树脂后处理，得到的涂渗件具有较高的精度及强度，可用作塑料功能件使用。
　　 针对目前用于制备聚合物覆膜金属粉末的方法如喷雾干燥法存在工艺复杂、对设备要求高等缺点，本文提出通过溶剂沉淀法制备尼龙12 覆膜金属粉末，该方法在高温密闭容器中将金属粉末均匀分散在尼龙12的醇溶液中，然后将悬浮液缓慢降温，尼龙12 逐渐以金属颗粒为核结晶，最终形成尼龙12 覆膜金属复合粉末。该方法具有对环境污染小、工艺简单、对设备要求低等优点。将该法制备的尼龙12 覆膜金属粉末用于以下两个方面：
　　 a)使用铝粉增强尼龙12的SLS 成形件，通过溶剂沉淀法制备尼龙12 覆膜铝复合粉末，研究了铝粉含量及粒径对SLS 成形件性能的影响，结果表明：铝粉分散均匀，并与基体有良好的界面粘接；当铝粉含量从0增加到50wt%时，成形件的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量分别提高10.4%、62.1%和122.3%，冲击强度和断裂伸长率下降65.0%和74.4%，耐热性及尺寸精度也得到提高；断裂伸长率、冲击强度及拉伸强度均随着铝粉粒径的减小而增大。
　　 B)使用溶剂沉淀法制备了间接法SLS 用尼龙12 覆膜金属粉末，该覆膜粉末中聚合物粘接剂的含量仅为1.0 wt%，其SLS 初始形坯具有较高的精度以及足够满足后处理要求的强度，最小精细结构的尺寸达1.0 mm将初始形坯进行脱脂和浸渗耐高温环氧树脂后处理，得到了精度与强度较高的金属合物复合零件。
　　 目前，常用的微米级填料虽然可提高尼龙SLS 成形件的模量、硬度等力学性能，但使其冲击强度大幅下降。本文使用纳米二氧化硅增强改性尼龙12的SLS 成形件，采用溶剂沉淀法制备了纳米二氧化硅/龙12 复合粉末。研究了纳米二氧化硅分散状态及其对SLS 成形件性能的影响，结果表明：纳米二氧化硅粒子以纳米尺寸均匀地分散在尼龙12基体中；当纳米二氧化硅的含量为3wt%时，SLS 成形件的拉伸强度、模量、冲击强度分别提高20.939.4 及9.54%，而断裂伸长率仅下降3.65%；初始热分解温度提高了30以上。
　　 本研究通过解决上述关键性技术难题，促进了国内SLS 用聚合物及其复合粉末的发展，对推动我国SLS 技术的整体进步，进一步扩展SLS 技术在各个行业中的应用具有一定的意义。