中科院蘭州化物所3D打印含油自潤滑材料研究獲進展

來源： 蘭州化學物理研究所

聚合物基含油自潤滑復合材料憑借輕質(zhì)、耐腐蝕、低噪音且長期免維護的特性，在航空航天和汽車工業(yè)等前沿領域具有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)方法制備含油自潤滑復合材料，多采用先制備多孔材料后填充潤滑劑的兩步法，存在工藝復雜和含油率低等問題，難以實現(xiàn)復雜結構成形。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具有重要意義。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王曉龍團隊提出了微乳液增材制造聚合物含油自潤滑復合材料的新策略，采用光固化3D打印一步實現(xiàn)了含油自潤滑復合材料與復雜結構機械零部件成形（圖1）。

圖1. 微乳液材料的制備、打印及自潤滑機理

該方法借助滑石粉（talc）對微油滴的穩(wěn)定作用，實現(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-液復合自潤滑材料斷面SEM表面形貌

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

結合3D打印自由制造與快速成形的特點，科研人員設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打印成形的結構具有高的尺寸穩(wěn)定性和精度（圖5），具備制造精密復雜結構件的成形能力。這種基于3D打印的新型聚合物含油自潤滑復合材料成形策略，為制造自潤滑復合結構及其跨尺度復雜結構構件成形提供了新的思路和材料技術方案。

圖5. 3D打印微乳液含油自潤滑器件

相關成果以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，該團隊進一步發(fā)展了基于3D打印的自脫模模具的成形技術。相關成果以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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略重點研究計劃、中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃、蘭州化物所青年學者聯(lián)合基金和蘭州市城關區(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