CuO/Al复合油墨的模量与剪切应力变化关系图和复合油墨临界应力值。从图中我们可以看出,设计的五个复合油墨配方在一定的剪切应力下都能够获得稳定的模量差值(储能模量 - 损耗模量,即储能模量大于损耗模量),表明在这样的剪切应力范围内,当复合油墨挤出之后不会发生流动,改变其挤出的形状状态。
相比所测试的五种油墨配方,当粘结剂含量为15 wt%的时候,在100~102 Pa的剪切应力范围内油墨的储能模量大于损耗模量,并且储能模量和损耗模量的曲线没有出现特别明显的波动;而当粘结剂含量分别为10 wt%、20 wt%、25 wt%的时候,在100~101Pa的剪切应力范围内,复合油墨的损耗模量发生了明显的波动,有些时候大于其储能模量。值得注意的是,当粘结剂含量为25 wt%的时候,在100~101 Pa的剪切应力范围内,其储能模量和损耗模量都发生了明显波动,严重影响复合油墨的成型性能。
另外,除了粘结剂含量为5 wt%的复合油墨,其他的复合油墨随着剪切应力的增加,其临界应力从160 Pa增加到了~600 Pa,表明粘结剂的含量对复合油墨成型的可剪切应力范围产生了一定影响。主要是在剪切过程中,粘结剂含量越多,粘结剂分子之间的胶粘作用就越明显,就需要更大的剪切力才能使其流动。至于粘结剂含量为5 wt%的复合油墨在100~2×102 Pa的剪切应力范围内没有出现应力屈服点或者储能模量降低趋势的情况,主要是粘结剂含量太少导致粘度太小没能使整个体系黏附在一起。
为了验证PTFE与Al的质量比对PTFE/Al复合材料三维结构以及梯度结构成型的影响,测试了PTFE/Al复合油墨的储能模量和损耗模量。与CuO/Al复合油墨相似,在一定的剪切应力范围内不同质量比的PTFE/Al复合油墨都展现出了良好的成型性能(储能模量>损耗模量);但不一样的是,PTFE/Al复合油墨比CuO/Al复合油墨更容易获得稳定成型的剪切应力。
伴随着应力屈服点的出现,剪切应力范围也在向前移动,大约从101 Pa前移到~100 Pa,为3D打印提供低剪切应力。从另一个方面也说明了声共振技术在PTFE/Al复合材料制备过程中的高效性和可靠性。相反地,随着PTFE/Al复合油墨中Al含量的增加,用来进行3D打印的墨水的屈服应力值越来越大,这表明Al颗粒的加入将墨水可打印的应力范围从130 Pa提升到1500 Pa,甚至更高,从而让墨水能够适用于更快的打印速度和更高的挤出压力。
相比于CuO/Al复合油墨,PTFE/Al复合油墨随着组分比例的改变,屈服应力逐渐减小,主要是由于使用的PTFE为微米颗粒,而Al为纳米颗粒,两种尺寸的粒子在质量比例从50:50变化大70:30的过程中越来越接近最优的粒度级配选择,从而使复合油墨达到最佳的流动性,因此才出现随着剪切应力增大,屈服应力减小的现象。
使用基于三轴打印系统的Nordson点胶机器人(JR - V2200)三维平台进行复合材料的3D打印。影响复合油墨成型的主要因素有三个,第一是复合油墨自身的粘度、模量等流变特性,在前面已经进行了相关测试,第二是打印过程中针头的移动速度,第三是打印过程中的挤出压力。
根据流变特性测试我们可以知道粘结剂含量改变和组分含量改变对复合油墨的初始粘度有一定的影响,所以在控制针头移动速度和挤出压力时,不同的配方之间有差异,但是最终的目的是要保证打印出来的线条直径与针头规格相匹配。
将制备的复合油墨装载到20 mL的点胶针筒内,一般情况下在油墨内部会存在大量的气泡,可以通过软管将复合油墨在两个点胶针筒之间进行来回转移,借助转移过程中的压力来消除复合油墨内部的气泡,保证打印过程中复合油墨线条不断裂。
根据复合油墨的流变特性设置合适的挤出压力和移动速度,使用石英玻璃作为三维结构的载体,为了防止三维结构黏附在石英玻璃基板上,打印之前的在玻璃表面涂抹一层脱模剂,利于三维结构的卸载。
复合油墨从针头挤出的瞬间由于束缚力消失,刚打印的线条会发生膨胀(即线条直径大于针头直径),一段时间后由于溶剂挥发的原因,粘结剂收缩导致直径恢复,所以在设置打印高度的时候,针头与基板制安的距离应略大于针头直径,防止针头破坏线条的完整性。
结合与之相关联的程序编辑系统,成功构建出了CuO/Al、PTFE/Al复合材料的多种结构,包括变直径线条、立方体、圆柱、蜂窝状三维结构等。
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