基于3D打印技術(shù)的材料熱物性調(diào)控

來源: 極端制造國際期刊  

在工業(yè)應(yīng)用中，物性可調(diào)的功能材料能滿足人們不同的需求，因而備受關(guān)注。由于材料的性能高度依賴于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此理解結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性對(duì)功能材料的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。近期，武漢大學(xué)岳亞楠教授課題組孫強(qiáng)勝等人在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表“Modulation of Thermal Transport of Micro-structured Materials from 3D Printing”論文，基于材料結(jié)構(gòu)和物性之間的關(guān)系，提出通過控制3D打印速度產(chǎn)生不同微缺陷，繼而實(shí)現(xiàn)材料熱物性調(diào)控的策略。實(shí)驗(yàn)中以4個(gè)不同的掃描速度打印出樣品，發(fā)現(xiàn)孔隙率（缺陷程度）與掃描速度存在近似線性關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)測得導(dǎo)熱系數(shù)，獲得導(dǎo)熱性質(zhì)與掃描速度關(guān)系式�；�于該相關(guān)性，新樣品導(dǎo)熱系數(shù)可通過掃描速度進(jìn)行預(yù)測。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測量值與預(yù)測值誤差僅為0.6%，證明該預(yù)測方式的準(zhǔn)確性。本研究結(jié)果為3D打印技術(shù)調(diào)控材料的熱物理性能提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

亮點(diǎn)：

• 提出了通過控制3D打印的掃描速度產(chǎn)生內(nèi)部微缺陷，繼而調(diào)控材料熱物性的策略。
• 基于紅外成像原理建立熱物性測量方法，并開展3D打印樣品的實(shí)時(shí)測量。
• 對(duì)3D打印樣品孔內(nèi)傳熱過程開展數(shù)值模擬，探究了溫度和孔隙率對(duì)材料物性影響規(guī)律。
  

研究背景
調(diào)控材料熱物性可通過添加高導(dǎo)熱填料或調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)。其中增材制造技術(shù)(additive manufacturing)又稱3D打印，具有制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高精度等特點(diǎn)。在3D打印過程中，激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等對(duì)材料的結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。通過控制這些參數(shù)、引入微觀結(jié)構(gòu)如孔隙、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)添加劑等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印材料或結(jié)構(gòu)物性的調(diào)節(jié)。通過設(shè)計(jì)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和特定的孔隙分布，3D打印技術(shù)也可制備各向異性材料和功能梯度材料(FGM)。

最新進(jìn)展
文章首先研究了3D打印樣品的微觀特征。當(dāng)掃描速度較小時(shí)(圖1a)，幾乎沒有孔隙，試樣致密度較高。在高倍鏡下(圖1a右下角)，樣品中氣孔幾乎是完美的圓形。隨著掃描速度增加，孔隙數(shù)量明顯增加，孔隙形狀變得不規(guī)則且孔徑增大。通過對(duì)樣品micro-CT表征，發(fā)現(xiàn)孔隙率和孔隙總數(shù)與掃描速度之間存在幾乎線性增加關(guān)系，因此可預(yù)見通過控制掃描速度調(diào)控材料熱物性。

圖1掃描速度為(a) 700 mm/s、(b) 900 mm/s、(c) 1100 mm/s、(d) 1300 mm/s時(shí)，樣品表面的SEM圖像。(右下圖為高倍放大后的小孔細(xì)節(jié)圖)

圖2掃描速度為(a) 700 mm/s、(b) 900 mm/s、(c) 1100 mm/s、(d) 1300 mm/s下制備樣品的Micro CT圖像

為有效測量3D打印樣品熱物性，課題組搭建了基于紅外成像熱物性無損測量平臺(tái)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)樣品的單面實(shí)時(shí)測量，測量方法簡單、快捷，對(duì)環(huán)境要求低，可有效應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場中。樣品導(dǎo)熱系數(shù)測得結(jié)果，如圖3所示，通過擬合樣品導(dǎo)熱系數(shù)k與掃描速度v之間的關(guān)系，可得表達(dá)式：

為驗(yàn)證該關(guān)系式的可靠性，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，設(shè)定新掃描速度打印了新樣品并開展熱物性預(yù)測和測量，預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值之間差值僅為0.6%，說明了上述關(guān)系式的可靠性。

圖3(a) 樣品孔隙率和孔隙總數(shù)隨掃描速度變化曲線。

(b)樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨掃描速度變化曲線

為探究微結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱擴(kuò)散機(jī)制，建立穩(wěn)態(tài)模型并開展數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致�？紫兜膫鳠釞C(jī)制是影響多孔介質(zhì)材料的關(guān)鍵。本文也建立了單孔結(jié)構(gòu)模型，探討了單個(gè)孔隙內(nèi)的傳熱特性，研究包括孔隙內(nèi)的對(duì)流傳熱、輻射傳熱和熱傳導(dǎo)等熱輸運(yùn)過程（見圖4）。研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)3D打印材料物性影響為：導(dǎo)熱系數(shù)都隨溫度升高而降低，孔隙率高的樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低得更快。

圖4單孔結(jié)構(gòu)的傳熱模擬結(jié)果：(a)溫度場和等溫線、(b)輻射場、(c)速度場和空氣流向。(d)流線圖

未來展望
3D打印技術(shù)可有效用于材料的熱物性調(diào)控，在功能材料和定向制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。未來可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)打印設(shè)備校準(zhǔn)后開展材料熱物性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)材料的定向制造。此外，為實(shí)現(xiàn)更高精度和更小尺寸材料熱物性調(diào)控，需要對(duì)微尺度組織結(jié)構(gòu)以及微納尺度傳熱傳質(zhì)等進(jìn)一步研究。

作者簡介
文章第一作者為孫強(qiáng)勝，通訊作者為上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院徐屾副教授、武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院張俊副教授和岳亞楠教授。合作者還包括武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院王建梅副教授、碩士研究生薛志祥、陳飏、夏如鼎。該研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目號(hào)：2018YFB1106100, 2019YFE0119900），國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目號(hào)：52076156)以及中央高�；�本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金 (項(xiàng)目號(hào)：2042020kf0194)支持資助。