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弗吉尼亚理工学院开发出3D打印超强塑料,可用于太空

作者: 来源: 发布时间:2017-09-08 浏览:28

[摘要]随着工程塑料的性能不断提高,以塑料替代金属的案例也随着更加普遍,这些工程塑料同时具备高刚性及很好的韧性;加上尺寸稳定性、质轻及耐腐蚀等优点使其应用面越来越广。 近日,弗吉尼亚理工学院和科学院研究人员组成的研究人员通过3D打印的方法制造了一种超高

  随着工程塑料的性能不断提高,以塑料替代金属的案例也随着更加普遍,这些工程塑料同时具备高刚性及很好的韧性;加上尺寸稳定性、质轻及耐腐蚀等优点使其应用面越来越广。

      近日,弗吉尼亚理工学院和科学院研究人员组成的研究人员通过3D打印的方法制造了一种超高强度的聚合物材料,因为它还在极端温度下保持很好的机械性能,因此可以在空间中大量使用。

 通过这种新颖的3D打印方式制造的塑料可用作隔离太空飞船和卫星的高温聚合物材料,这使得太空飞船和卫星在极端的热和冷的环境下仍然正常运作。

 这种材料名为Kapton,是由苯环内的碳和氢组成的芳族聚合物,具有出色的热稳定性和化学稳定性。Kapton最早是由美国杜邦公司(DuPont)生产的聚酰亚胺(PI)薄膜材料的商品名称。PI是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料,具有优良的化学稳定性、耐高温性、坚韧性、耐磨性、阻燃性、电绝缘性等。

 但是由于分子结构,Kapton材料基本以薄膜的方式生产出来,其他的任何形状都出人意料地难以生产。Kapton经常用于航天器、卫星和行星式飞轮的外包层的多层绝缘体,以保护它们免受极端的热和冷的破坏。

 工程学院和科学学院的研究人员能够合成大分子,使它们保持稳定,并保持其热性能,从而适用于3D打印加工过程。理论上,这种高性能聚合物可以通过弗吉尼亚理工学院的3D打印技术形成任何形状、尺寸或结构。这使得这种材料的未来用途不限于航空航天工业。因为,当前相同的材料可以适用于数十种电子设备,包括手机和电视机中的使用。

 工程学院机械工程系副教授,增材制造系统设计,研究与教育领域负责人Christopher Williams表示:“依靠传统的加工路线,工程师们只能制作这些材料的薄膜。现在可以3D打印这些材料,可以开始将它们设计和3D打印成更复杂的形状,这使得能够在更广泛的应用范围内利用其优异的性能。

 目前在三维打印领域中使用的材料在极端的空间环境中不具有高强度和刚度。通常,可3D打印的工程塑料在约华氏300度环境下开始失去其机械强度。

 研究团队表示,这种新型聚合物的机械性能可保持在680华氏度(约360摄氏度)以上。这种3D打印的材料具有与常规加工的薄膜Kapton材料相当的强度。

 高级制造系统高级研究员Williams说:“我们可以想象这种材料用于卫星结构,作为高温过滤器或高温流量喷嘴。通过3D打印的制造工艺可以提供的广泛几何形状和微尺寸用来进一步改进现有的设计。比如,一个更轻便的卫星,一个提供最佳/高效流量的过滤器,一个具有设计流路的喷嘴,允许更大的退出速度和流体效率”

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