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隨著(zhù)工程塑料的性能不斷提高，以塑料替代金屬的案例也隨著(zhù)更加普遍，這些工程塑料同時(shí)具備高剛性及很好的韌性;加上尺寸穩定性、質(zhì)輕及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)使其應用面越來(lái)越廣。
近日，弗吉尼亞理工學(xué)院和科學(xué)院研究人員組成的研究人員通過(guò)3D打印的方法制造了一種超高強度的聚合物材料，因為它還在極端溫度下保持很好的機械性能，因此可以在空間中大量使用。
通過(guò)這種新穎的3D打印方式制造的塑料可用作隔離太空飛船和衛星的高溫聚合物材料，這使得太空飛船和衛星在極端的熱和冷的環(huán)境下仍然正常運作。
這種材料名為Kapton，是由苯環(huán)內的碳和氫組成的芳族聚合物，具有出色的熱穩定性和化學(xué)穩定性。Kapton最早是由美國杜邦公司（DuPont）生產(chǎn)的聚酰亞胺（PI)薄膜材料的商品名稱(chēng)。PI是20世紀50年代發(fā)展起來(lái)的耐熱性較高的一類(lèi)高分子材料，具有優(yōu)良的化學(xué)穩定性、耐高溫性、堅韌性、耐磨性、阻燃性、電絕緣性等。
但是由于分子結構，Kapton材料基本以薄膜的方式生產(chǎn)出來(lái)，其他的任何形狀都出人意料地難以生產(chǎn)。Kapton經(jīng)常用于航天器、衛星和行星式飛輪的外包層的多層絕緣體，以保護它們免受極端的熱和冷的破壞。
工程學(xué)院和科學(xué)學(xué)院的研究人員能夠合成大分子，使它們保持穩定，并保持其熱性能，從而適用于3D打印加工過(guò)程。理論上，這種高性能聚合物可以通過(guò)弗吉尼亞理工學(xué)院的3D打印技術(shù)形成任何形狀、尺寸或結構。這使得這種材料的未來(lái)用途不限于航空航天工業(yè)。因為，當前相同的材料可以適用于數十種電子設備，包括手機和電視機中的使用。
工程學(xué)院機械工程系副教授，增材制造系統設計，研究與教育領(lǐng)域負責人Christopher Williams表示：“依靠傳統的加工路線(xiàn)，工程師們只能制作這些材料的薄膜?，F在可以3D打印這些材料，可以開(kāi)始將它們設計和3D打印成更復雜的形狀，這使得能夠在更廣泛的應用范圍內利用其優(yōu)異的性能。
目前在三維打印領(lǐng)域中使用的材料在極端的空間環(huán)境中不具有高強度和剛度。通常，可3D打印的工程塑料在約華氏300度環(huán)境下開(kāi)始失去其機械強度。
研究團隊表示，這種新型聚合物的機械性能可保持在680華氏度（約360攝氏度）以上。這種3D打印的材料具有與常規加工的薄膜Kapton材料相當的強度。
高級制造系統高級研究員Williams說(shuō)：“我們可以想象這種材料用于衛星結構，作為高溫過(guò)濾器或高溫流量噴嘴。通過(guò)3D打印的制造工藝可以提供的廣泛幾何形狀和微尺寸用來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)現有的設計。比如，一個(gè)更輕便的衛星，一個(gè)提供最佳/高效流量的過(guò)濾器，一個(gè)具有設計流路的噴嘴，允許更大的退出速度和流體效率”。
圖片：Goodwin Hall的DREAMS Lab實(shí)驗室，副教授Christopher Williams和博士生Viswanath Meenakshisundaram在3D打印設備前
 3D科學(xué)谷REVIEW弗吉尼亞理工學(xué)院的這一發(fā)現的確進(jìn)一步打開(kāi)了塑料與金屬競爭的市場(chǎng)空間。在當前的塑料替代金屬的努力中，3D打印領(lǐng)域的一大派系是復合塑料材料，如碳纖維增強塑料或者玻璃纖維增強塑料的3D打印。另一大派系是高強度塑料，如PEEK。
圖片：在塑料的性能金字塔上，PI處于高于PEEK的位置。
這其中最具代表性的是OPM牛津性能材料的OXFAB材料，這種PEKK材料“是一種具有卓越的強度、耐化學(xué)性、耐低溫和高溫、耐輻射性，以及優(yōu)異的耐磨損性能的超高性能聚合物”。由于具有這些令人印象深刻的特性，OPM將其與3D打印能夠制造具有獨特幾何形狀的物體的能力相結合，專(zhuān)門(mén)針對航空航天、運送、能源、醫療及半導體領(lǐng)域提供低重量、高性能的3D打印部件。
針對航空航天及工業(yè)制造市場(chǎng)，牛津性能材料還開(kāi)發(fā)了OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特點(diǎn)，OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性以及定制電性能的能力，這對于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。在商業(yè)化方面，OPM已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結構件。
3D打印領(lǐng)域的科技獨角獸企業(yè)Carbon也推出了其氰酸酯樹(shù)脂材料，這種材料是一種琥珀色的透明樹(shù)脂。固化后具有光滑和光亮的表面（表面與PolyJet技術(shù)的打印表面相似），而且表面經(jīng)過(guò)拋光后會(huì )更光亮。另一方面，氰酸酯樹(shù)脂是一種具有熱變形溫度高達219°C的高性能材料。在高溫下保持良好的強度、剛度和長(cháng)期的熱穩定性，適用于汽車(chē)和航空工業(yè)的模具和機械零件，例如發(fā)動(dòng)機罩下的高溫環(huán)境應用，以及電子和其他發(fā)熱工業(yè)部件。
無(wú)論是通過(guò)復合增強的方式提升塑料的性能，還是開(kāi)發(fā)新的高強度塑料，3D科學(xué)谷認為塑料替代金屬的努力將繼續進(jìn)行，而3D打印與高強度塑料結合的價(jià)值在于，3D打印的自由曲面造型能力，這使得我們所熟悉的產(chǎn)品形狀以更加緊湊、高效能的方式上演著(zhù)另一場(chǎng)“進(jìn)化論”。
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