聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的基础科学问题研究

This project focuses on the fundamental studies on the 3D printing of polymer-based micro/nano functional composites: to prepare several novel polymer-based micro/nano composites with high-performances and multi-functions and suitable for 3D printing through organic/inorganic hybrid, ultrasonic irradiation and solid state shear milling techniques and investigate the their structures and properties, making a breakthrough in solving the bottleneck problems such as lack of raw polymer materials suitable for 3D printing, high cost, single component, etc.; to investigate the selective laser sintering (SLS) processing of polymer-based micro/nano functional co-powders and the fused deposition modeling (FDM) processing of polymer-based micro/nano functional composite strands; to investigate the features of the 3D printing different from those of the conventional polymer processing, e.g., the construction from lower dimensional structures, the layer by layer stack, the free interface forming,etc., the complicated solid-liquid-solid transition process; to investigate the key factors influencing the precision, speed of 3D printing processing and the micro structure and the strength between the layers of the products; to develop the novel theories and methods for the 3D printing of polymer-based micro/nano functional composites and to fabricate several multi-functional polymer-based parts with complicated shape, which cannot be manufactured by the conventional polymer processing techniques. The investigations of this project will promote the development of the 3D printing technology of polymer material in our country and has important theoretical and practical significances.

本项目拟研究聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的基础科学问题：通过有机/无机杂化、超声辐照、固相剪切碾磨等技术制备数种新型的适合于3D打印加工的高性能多功能聚合物基微纳米复合材料，研究其结构与性能，突破目前高分子材料3D打印原料种类少，结构单一，价格高的关键瓶颈问题；研究聚合物基微纳米复合功能粉体的选择性激光烧结（SLS）加工和聚合物基微纳米功能复合丝条的熔融沉积成型（FDM）加工，研究3D打印不同于传统聚合物加工的特点，如低维构建，层层叠加，自由界面成型，复杂的固-液-固转变过程以及多层次多尺度结构的形成和演变规律，研究影响3D打印加工精度、速度及制品层间微结构和强度的关键问题，建立和发展聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工新理论新方法，制备数种传统聚合物加工不能制备的形状复杂的多功能制品，推动我国高分子材料3D打印加工的发展，具有重要的理论和实际意义。

3D打印是非传统的先进制造技术，具有数字制造、降维制造、快速原型制造和个性化制造的特点，可制备常规加工方法不能制备的形状复杂的高难度制品，在国民经济和高科技领域有十分重要的应用，是各国优先发展的新兴战略产业。高分子材料是最适合3D打印加工的材料，是聚合物加工的未来，但面临适用于3D打印加工的聚合物种类少，结构功能单一，虽可打印任意复杂形状制件，但缺少功能；传统聚合物加工理论不适用于高分子材料3D打印加工；3D打印的精度、速度及制件的层间强度还需要提高等关键难题。.针对以上关键问题，本项目率先开展了聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工研究，深入研究其基础科学问题，取得重要创新性研究成果，出色完成研究计划，超额完成项目预期目标：.1）发展了固相剪切碾磨、超声辐照、分子复合、有机/无机杂化等先进技术，规模化制备了10余种适合于选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）和连续液相提拉快速打印加工（CLIP）的聚合物基微纳米功能复合材料，如PA11/BaTiO3压电粉体、TPU/CNTs导电粉体、PVA/HA生物医用丝条、PE/GNPs导热丝条等，解决了目前高分子材料3D打印原料种类少，结构功能单一的难题。.2）率先实现了聚合物基微纳米功能复合粉体、丝条和墨水的3D打印加工，建立了聚合物基功能复合粉体球形化技术，研究其在SLS加工中的流动特性、与激光的相互作用，3D打印制品多层次结构的形成、调控机理和方法；深入研究了聚合物基功能复合丝条在FDM成型过程中复杂的固-液-固转变过程，阐明影响FDM加工精度、强度、功能性的关键因素，发展了高分子材料3D打印加工新理论。.3）发明了直接熔融挤出的新型FDM打印机和防制件翘曲装置等，实现了聚合物弹性体、共混材料的FDM加工，为3D打印加工提供了新装备。.4）成功制备了传统加工和目前3D打印难以制备的形状复杂的功能器件，如PA11/ BaTiO3压电俘能器、柔性TPU/CNTs传感器、PVA基骨组织工程支架、PE/GNPs散热风扇等，开拓了3D打印应用新领域。.5）发表标注期刊论文60篇（SCI 53篇）、会议论文和学术报告31篇（大会/邀请报告12篇），申请中国发明专30利项（获授权15项），开展了卓有成效国际合作；培养博硕士研究生29人；项目组主研获准四川省青年科技创新研究团队，项目负责人2017年当选中国工程院院士，等。