金属3D打印技术及其专用粉末特征与应用

3D打印技术提供了一种先进的制造方法,实现了从3D计算机模型出发直接制造复杂形状的工件。其中,金属3D打印技术在生物医疗、航空航天、自动化、汽车零部件、军工等领域的有效应用得到了印证。介绍了金属3D打印技术的基本情况和金属3D打印专用金属粉末特征,简述了金属粉末的分类及应用,并对金属3D打印技术存在的问题和面临的挑战与机遇进行了分析。     

3D打印柔性可穿戴锂离子电池

利用挤出式3D打印技术制备纺织物结构的自支撑柔性锂离子电池电极的新方法,并采用高浓度的聚偏氟乙烯(PVDF)作为黏度调节剂、碳纳米管(CNT)作为导电剂、磷酸铁锂或钛酸锂作为电极活性材料,配制了具有可打印性的"墨水",其表观黏度接近105Pa·s,该"墨水"表现出明显的剪切变稀行为,同时存储模量平台值也高达105Pa,其优异的流变学性质对于打印和固化过程十分有利。电化学测试结果表明,两种打印电极具有稳定且十分匹配的充放电比容量,因此由二者组装的软包袋装全电池也具有高达~108mAh·g^-1的放电比容量(50mA·g^-1),弯曲后,在同样的电流密度下其放电比容量约为111mAh·g^-1。     

聚合物/镓基液态金属复合材料的研究及应用进展

液态金属(LM)是一种在常温下呈液态,由金属或其合金掺入改性剂复合而成的材料.由于兼具金属优秀的导电性、导热性和流体的流动性,近年来液态金属成为材料领域内的研究热点,尤其是在柔性电子应用领域备受关注.文中主要以镓基液态金属为描述对象,综述了液态金属主要特性,分析了液态金属复合材料聚合物基体的选择情况,介绍了液态金属柔性...     

3D打印磁控柔性抓手

柔性抓手能够在外部刺激下发生形变,在货物运输等领域有较好的应用。然而,目前使用的柔性抓手响应速度慢,对货物的形态和质量都有着较高要求,无法像人手一样适配绝大多数场景,因此有必要开发一种响应速度快、适配各种货物的柔性抓手。本文将硬磁材料--钕铁硼粉末(NdFeB)与硅橡胶(Room temperature vulcanized rubber,RTV橡胶)进行共混复合,形成了一种可打印的磁响应NdFeB-RTV橡胶复合材料。通过对墨水直写3D打印技术的制造工艺参数的探索和优化,将NdFeB-RTV橡胶复合材料的前驱体墨水打印成型。该材料固化后呈现出优异的力学性能-断裂伸长率接近300%,抗拉强度为1.03 MPa,拉伸杨氏模量为1.27 MPa,弯曲强度为78.06 MPa,弯曲模量为160.96 MPa。最后,本文采用墨水直写3D打印技术,设计制造了磁响应的四臂抓手机器人。利用机器人的磁致动与柔韧特性,实现了灵活变形、快速抓取、平稳运输等功能。     

3D 打印技术在金属成形领域的应用和展望

3D打印技术是新型精密成形技术,也是第三次工业革命的核心技术,在金属成形领域发挥着重要作用。3D打印由于加工速度快、材料利用率高、成形件形状不受限制的优势,应用领域相对广泛。文中重点介绍国内外3D打印的工艺研究现状、材料研究现状以及新型高端成形设备,从3D打印所占据市场份额出发,展望其发展前景。     

磁性镓基液态金属复合材料的研究进展

镓基液态金属具有高导电性、高导热性、高流动性和优良的生物相容性,是一种具有很大发展和应用前景的功能材料。镓基液态金属与其他不同物理化学性质的材料组合而成的镓基液态金属复合材料为基础研究与应用研究提供了一个新的方向,为解决柔性电子、热调控和生物医学等各个领域的挑战性问题提供了新的思路并表现出重大潜力。磁性粒子的引入可以使镓基液态金属具有良好的磁性能。作为一种新兴的磁性功能材料或磁性智能材料,磁性镓基液态金属复合材料在柔性电子、微电机、靶向给药、热调控、屏蔽与吸波等领域已展现出初步的研究和应用价值。本文系统地总结和评述了磁性镓基液态金属复合材料的研究进展。从基础研究、磁力控制、磁热控温、屏蔽与吸波四个方面综述了磁性镓基液态金属复合材料的性能和应用,说明了这种复合策略的有效性。这可为磁性镓基液态金属复合材料的进一步研究与开发提供思路。     

金属/陶瓷粉末3D打印技术及其应用

3D打印技术以数字化、网络化、个性化、定制化特点被认为将推动第3次革命技术,金属/陶瓷粉末构件的3D打印技术是目前先进制造技术的重要发展方向。主要介绍了3D打印成形金属/陶瓷粉末技术及其在航空航天等领域的应用现状和展望;详述了3D打印用金属粉末制备方法及不同工艺下粉末的特点及适用范围,进而综述了3D打印用金属粉末设备的工作原理。最后,对该方向的研究进展进行总结,并对其发展前景和主要发展方向进行展望。     

3D打印HA微球支架的制备与表征

生物材料表面微结构对于成骨具有重要的影响,该研究以不同粒径(<60μm)的羟基磷灰石(HA)微球状粉体为原料,通过3D打印技术制备了一系列(HA0、HA10、HA30、HA50)生物陶瓷支架。不同支架具有相似的理化性能,由于微球粒径不同形成了不同的微结构,对其生物学性能造成不同的影响。相比传统非微球颗粒打印的支架(HA0), HA微球构成的支架能够提供更多细胞粘附和生长位点, 24 h的粘附实验显示HA30支架能显著促进骨髓间充质干细胞的伪足伸长;培养5 d的细胞增殖实验显示,微球支架上的细胞数量与HA0支架出现显著性差异,表面微球结构与细胞尺度相当的HA30支架具有最好的促增殖效果。因此,3D打印技术在可控制备HA支架宏观结构的同时,还可以通过控制生物陶瓷粉体的颗粒形貌,调控3D打印支架的表面微结构,从而优化其生物学效应,在骨组织工程领域具有良好的应用前景。     

双固化3D打印弹性体光敏树脂的制备与性能

采用双固化体系设计,合成制备了两步固化可3D打印弹性体的光敏树脂。使用甲乙酮肟对聚氨酯预聚体进行封端,并通过红外光谱和差示扫描量热分析确定其对应的最佳解封温度为120℃;采用不同的丙烯酸酯类稀释剂配制光固化P树脂部分,与封闭聚氨酯预聚体及扩链剂组成的T树脂配制了双固化体系光固化3D打印树脂,采用平板流变仪确定了其打印温度应控制在30～35℃;对固化后的样品进行力学性能测试,发现当稀释剂采用玻璃化转变点高的稀释单体时,制备样品力学性能最好,接近于浇筑聚氨酯弹性体,在室温能保持良好的弹性。     

低熔点金属3D打印技术研究与应用

<正>3D打印是增材制造技术的一种,近年来得到了广泛的关注和研究。这是一种将墨水(如粉末金属或塑料)按照一定方式逐层打印出来的技术,常用的典型材料包括塑料、陶瓷、高熔点金属粉末等。3D打印技术在组织工程[1-2]、微流道[3]、电子线路和器件[4]等领域有着十分广泛的应用前景。低熔点金属有别于传统3D打印材料,它是指一大类熔点低于200℃的金属材料,如镓基、铟基、铋基合金等。低熔点金属尤其是室温液态金属在印刷电子、制作柔性器件方面正显现独特的优势。本文介绍了几种新近出现的基于低熔点金属墨水的3D打印技术。     

金属基底上三维可动微机构的制作

在无背板生长工艺的基础上,以SU-8胶为牺牲层,直接在金属Ni基底上制作出了一种三维可动微机构．该器件的制作主要采用了SU-8厚胶光刻工艺、高深宽比结构的微电铸工艺以及牺牲层工艺．就SU-8胶与金属基底结合差、易产生气泡、去除困难,铸层与金属基底之间以及铸层与铸层之间结合不牢等问题进行了讨论,采用了过渡层工艺、梯度升温工艺以及酸洗等方法予以解决．对于在金属基底上通过微电铸制作微结构的工艺而言,由于基底可以直接作为微结构的一部分,因此该工艺的优势在于节省了微结构的电铸时间,降低了铸层的生长应力,提高了结构的整体强度,使微器件的可靠性大大增加．电铸时间由原来的几天甚至几周缩短为二十几个小时,避免了出现由铸层内应力引起的铸件结构变形的问题．     

Fabrication and Properties of Powder-in-Tube Processed MgB2 Tapes and Wires

MgB₂ tapes were fabricated with MgB₂ powder and several sheath materials such as Cu, Cu-Ni, Fe, carbon steel (Fe-C) and stainless steel. High-density MgB₂ cores were obtained for these sheath materials. J _c of the as-cold rolled (non heat treated) tape significantly increased with increasing the cross sectional area reduction by the cold working. Hard sheath materials (Fe-C and stainless steel) are effective to enhance J _c values. These results can be explained by the densification of MgB₂ core. Non heat treated MgB₂/(stainless steel) and MgB₂/(Fe-C) tapes showed extrapolated J _c values of 300–450 kA/cm² at 4.2 K and zero field. MgB₂ tapes show anisotropy in J _c with respect to field orientation. This anisotropy can be explained by the MgB₂ grain orientation. Heat treatment after the cold rolling is effective to enhance J _c values. An order of magnitude higher J _c values were obtained for Fe-C and stainless steel sheathed tapes by the heat treatment. J _c values extrapolated to zero field of MgB₂/(SUS 316) and MgB₂/(Fe-C) tapes reached 1,000 kA/cm² at 4.2 K.     

一种三维金属微型腔的组合加工方法

为了制作局部为三维结构的金属模具微型腔,实验研究了一种组合加工新工艺,即先用紫外线光刻和电铸成形（准LIGA）技术在模具基底上制作二维金属微型腔,再用微细电火花成形加工（EDM）技术对微型腔的局部进行修形,得到局部为三维结构的微型腔,电火花修形的位置根据微型腔结构的设计要求而定．以制作聚合物微流控芯片用的金属模具为试件,以微细电火花成形加工中影响工件表面粗糙度的因素分析为理论指导,应用该方法制作了局部侧壁倾斜的三维微型腔．根据测量结果,两边侧壁与水平方向的夹角分别为49．6°和46．4°,倾斜侧壁的表面粗糙度Rs为0．391μm．     

软质聚氨酯泡沫的冲击力学性能

采用岛津试验机与改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,得到了两种分别用作汽车坐垫和靠垫材料的软质聚氨酯泡沫在不同应变率下的应力应变曲线。实验结果表明,材料强度对密度和应变率敏感。动态条件下,泡沫密实后,横向惯性效应导致泡沫被拉坏。而准静态变形达到80%时,卸载后变形仍能回复。评价两种泡沫的吸能特性时,发现两种密度的海绵动态吸能性能比静态时要差。最后对坐垫泡沫的厚度进行了优化设计。     

3D Printed High‐Performance Lithium Metal Microbatteries Enabled by Nanocellulose

Batteries constructed via 3D printing techniques have inherent advantages including opportunities for miniaturization, autonomous shaping, and controllable structural prototyping. However, 3D‐printed lithium metal batteries (LMBs) have not yet been reported due to the difficulties of printing lithium (Li) metal. Here, for the first time, high‐performance LMBs are fabricated through a 3D printing technique using cellulose nanofiber (CNF), which is one of the most earth‐abundant biopolymers. The unique shear thinning properties of CNF gel enables the printing of a LiFePO₄ electrode and stable scaffold for Li. The printability of the CNF gel is also investigated theoretically. Moreover, the porous structure of the CNF scaffold also helps to improve ion accessibility and decreases the local current density of Li anode. Thus, dendrite formation due to uneven Li plating/stripping is suppressed. A multiscale computational approach integrating first‐principle density function theory and a phase‐field model is performed and reveals that the porous structures have more uniform Li deposition. Consequently, a full cell built with a 3D‐printed Li anode and a LiFePO₄ cathode exhibits a high capacity of 80 mA h g^?1 at a charge/discharge rate of 10 C with capacity retention of 85% even after 3000 cycles.     

Ag型IPMC柔性驱动器的制备及性能

为了降低成本并改善材料性能,采用银替代铂制备IPMC电极。基于渗透还原工艺采用化学沉积方法制备了Pt基、Pt-Ag基和Ag基三种IPMC柔性驱动器试件。对试件的SEM和XRD分析结果表明本文提供的方法可以有效地将电极金属沉积在基膜中,且呈梯度分布;对样件的致动效果以及表面电阻特性测试结果表明Ag基IPMC驱动器具有最好的致动变形能力和最低的表面电阻。在相同尺寸与约束条件下,Ag基IPMC在1.5V时产生90°变形,Pt型与Pt-Ag型IPMC分别在3V和4V驱动电压下产生60°变形。     

多芯MgB2/NbZr/Cu线材的制备及性能研究

采用NbZr/Cu复合管作为外包套材料,用粉末装管工艺(PIT)制备出千米级TiC掺杂的多芯MgB2/NbZr/Cu线材.在流动高纯氩气保护下、650-800℃温度区间内烧结2 h.微观结构分析显示,该工艺制备的MgB2/NbZr/Cu线材具有良好的晶粒连结性和较高的致密度.采用标准的四引线法,在4.2 K不同磁场下测试线材的临界电流密度,在10 T时,线材临界电流密度Jc达到1.8×104A/cm2.     

熔融沉积法3D打印制备氧化锆陶瓷及其力学性能研究

在传统熔融沉积方法的基础上,采用颗粒混合料和螺杆挤出机构3D打印制备了致密和多孔氧化锆陶瓷,系统研究了颗粒原料的打印性能、坯体显微结构特征和陶瓷材料的力学性能。研究结果表明,该方法可以实现倾角达165°和跨度为5.5mm的无支撑结构的打印成型。研究了两种打印路径对致密氧化锆陶瓷抗弯强度及抗弯强度Weibull模数的影响,结果表明与传统单线填充模式相比,"单线+矩形"复合填充模式可以得到更高致密度和更优力学性能的陶瓷(抗弯强度达到637.8 MPa, Weibull模数达到9.10)。研究了不同气孔率多孔氧化锆陶瓷的压缩力学行为,结果表明陶瓷的抗压强度和气孔率之间存在复合指数规律,低气孔率时异面压缩的应力–应变曲线只呈现弹性阶段,高气孔率时出现弹性阶段和坍塌阶段,均未出现密实阶段。