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3D打印技术在反应性材料结构制备中的全面应用解析

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-09-17 13:30:04 浏览次数:0
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3D打印技术在反应性材料结构制备中的应用

3D打印技术的应用为反应性材料复杂结构的制备提供了很好的技术支持,能够比较简单地实现正方形网格结构、菱形网格结构、类蜂巢网格结构的打印制备,并控制整体含能材料复杂结构的尺寸在10 mm内,甚至更小。目前可用于3D打印的最小针头为0.08mm,获得的铝热剂线条最小表观直径为0.15mm;通过粘结剂含量的调节可以使打印的线条具有相应的柔韧性,在干燥储存过程中不发生断裂。

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3D打印结构收缩现象及原因

拍摄的照片显示,复杂结构顶层部分出现了向内收缩的现象,而与基板贴合的底层没有收缩现象,导致最终形成的三维结构展示出上层小、下层大的锥型走向。其主要原因是,出现收缩现象的三维结构使用的复合材料中含有相对较多的粘结剂,在干燥过程中由于溶剂的挥发导致粘结剂析出时变干变硬,对组分之中的微观颗粒进行拉扯作用,宏观上就展现出了收缩现象。另外,底层的复合材料由于基板的支撑作用,没有特别明显的收缩现象出现,但是收缩的趋势仍然存在。

复合材料组分均匀性及打印性能

四种颜色代表四种不同的元素,图中显示四种元素在整个扫描范围内都有分布,且分布的量比较均匀,这证明了制备的复合材料中各组分均匀分布,具有良好的均匀性和统一性。在3D打印过程中能够更顺利地打印书写,不会轻易出现堵塞针头、停笔、线条断裂的状况。

PTFE/Al复合材料3D打印结构及特性

流变性能的测试为PTFE/Al复合材料的3D打印提供理论基础,利用3D打印技术打印了多样的复合结构。有单组份变直径线条、多组分复合线条、单组份圆形花纹、单组份长方体结构以及轴向梯度圆柱和径向梯度圆柱等,3D打印的各种结构都表现出了良好的成型性能。

粘结剂含量保持不变,都为10 wt%,这五种不同PTFE与Al质量比的PTFE/Al复合材料具有一样的孔隙率,且存在的微孔孔径大致为300 nm~600 nm,并且分布状况较为均匀。此外,微观结构图中出现的一些尺寸较大的球形颗粒,这主要是原料当中存在的大粒径Al颗粒,并不是因为纳米材料的团聚而形成的大颗粒。

伴随着PTFE与Al质量比从50:50到70:30,PTFE/Al复合材料中的PTFE含量增加,而PTFE颗粒相对于Al颗粒具有更大的尺寸,所以从微观结构图中也能看到复合材料表面的粗糙程度也在增加。

复合材料实验整体流程及流变性能

CuO/Al复合材料、PTFE/Al复合材料的实验设计制备、复合墨水流变性能的测试表征、三维结构的3D打印成型以及对三维结构表面微观结构的测试表征。流变性能方面,CuO/Al复合油墨和PTFE/Al复合油墨的黏度都随着剪切速率的增加而快速降低,属于典型的非牛顿流体。

此外,两种复合油墨在可剪切的范围内都保持着较好的成型性能(储能模量大于损耗模量),伴随着剪切应力的增加出现了相对的屈服应力值,屈服应力随着粘结剂含量的变化和组分比例的改变呈现出增大和减小的趋势。

3D打印构建的多种三维结构

两种复合油墨经过3D打印成功构建了多种稳定的三维结构,其中包括了CuO/Al复合材料制备的立方网格结构(10 mm×10 mm×6 mm),大约40层,每层高度为0.15mm,网格内部线条的表观直径也为0.15 mm;蜂窝网格(10 mm×7 mm×4 mm)、菱形网格(10 mm×7 mm×4 mm)等异形结构。另外也包含了使用PTFE/Al复合油墨构建的直径40 mm,高度4 mm的圆形花纹结构,填充度约40%。这些三维结构体现了3D打印技术精确的特点,能够有效快速地构建微小型含能复合结构。

差热曲线测试原理

将待测试样和参比物(热惰性物质)置于同一条件的炉体中,按给定程序等速升温或降温,当加热试样在不同温度下产生物理、化学性质的变化(如相变,结晶构造转变,结晶作用,沸腾,升华,气化,熔融,脱水,分解,氧化,还原……及其他反应)时,伴随吸热或放热,试样自身的温度低于或高于参比物质的温度,即两者之间产生温差。温差的大小(反应前和反应后二者的温差为零)和极性由热电偶检测,并转换为电能,经放大器放大输入记录仪,记录下的曲线即为差热曲线。

燃烧速率测试流程及拓展

燃烧速率测试主要分为三个部分:

  1. 样品的制备:样品制备是燃烧速率测试的基础环节,其质量直接影响到后续测试结果的准确性和可靠性。为了保证样品能够顺利地燃烧,需要制备出均匀的线条样品。在制备过程中,要精确控制各种原料的比例,确保复合材料的成分均匀一致。例如,对于CuO/Al复合材料或PTFE/Al复合材料,需按照预定的质量比准确称量CuO、Al或PTFE、Al等原料,并充分混合均匀。同时,要选择合适的成型工艺,如挤出成型或注射成型等,将混合好的原料制成线条样品。在成型过程中,要控制好温度、压力等工艺参数,以保证线条样品的尺寸精度和表面质量。只有制备出均匀且质量良好的线条样品,才能使火焰在传播过程中保持稳定,确保测试结果的准确性。
  2. 火焰前沿的记录:样品被点燃之后,火焰会以极快的速度向前传播。为了准确获取火焰前沿的位置信息,需要使用高速摄像机进行记录。高速摄像机具有高帧率的特点,能够在极短的时间内拍摄多张照片,从而捕捉到火焰传播过程中的每一个细节。在实验中,要将高速摄像机安装在合适的位置,并调整好拍摄参数,如焦距、光圈、快门速度等,以确保拍摄到的图像清晰、准确。同时,要设置好拍摄的时间间隔和拍摄时长,以便完整地记录火焰从点燃到传播一定距离的整个过程。通过对高速摄像机拍摄到的图像进行分析,可以精确地确定火焰前沿在不同时刻的位置,为后续燃烧速率的计算提供准确的数据。
  3. 燃烧速率的计算:利用高速摄像机记录的火焰前沿位置和火焰传播到这个位置耗费的时间,通过单位长度内燃烧时间长短来得到样品的燃烧速率。具体计算方法是,首先在火焰传播路径上选取多个测量点,测量出相邻测量点之间的距离,并记录下火焰前沿到达每个测量点的时间。然后,根据公式“燃烧速率 = 距离 / 时间”,计算出火焰在相邻测量点之间的平均燃烧速率。为了减小误差,通常会选取多个测量段进行计算,并取平均值作为样品的最终燃烧速率。此外,还可以对计算结果进行统计分析,评估其误差范围,以确保测试结果的可靠性和准确性。通过对燃烧速率的精确测量,可以深入了解复合材料的燃烧性能,为材料的设计和应用提供重要的参考依据。

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