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原文传递基于电场辅助连续面曝光有序复合材料3D打印工艺及性能研究

论文题名：	基于电场辅助连续面曝光有序复合材料3D打印工艺及性能研究
关键词：	汽车轻量化;石墨烯聚合物基复合材料;连续面曝光3D打印;电场辅助;工艺参数
摘要：	石墨烯聚合物基复合材料质量轻并且强度高，在诸多行业拥有着广阔的应用前景，尤其是在汽车工业中，因为环保和节能的需求，轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。石墨烯聚合物基复合材料的成型在当下仍然受到工艺成本高、操作复杂、成型件性能不足等因素的制约，亟需开发新的成型工艺。提出了一种基于电场辅助的连续面曝光3D打印技术，完成了高性能有序石墨烯聚合物基复合材料的制备，也为有序复合材料连续3D打印提供了一条新的道路。本学位论文根据提出的基于辅助电场连续面曝光3D打印技术，从理论分析、实验验证、案例应用等方面展开了深入地研究，主要研究工作和创新之处如下：　　(1)提出了一种基于辅助电场连续面曝光3D打印石墨烯-树脂有序复合材料的新工艺，从三个方面为制备高性能石墨烯-树脂复合材料提供帮助。通过连续面曝光3D打印工艺完成复合材料的连续一体化成型，克服了传统数字光处理3D打印存在的内部分层问题，保证了Z向的力学性能；通过在打印过程中对复合浆料施加直流电场，利用石墨烯的介电特性完成其在树脂基体中的有序排列，进一步提高复合材料的力学性能以及电学性能；提出了使用光热双重固化树脂作为基体材料，通过光固化树脂完成复合材料的成型，并通过打印后热处理实现热固化树脂固化，从而保证复合材料的完全固化，克服了因黑色石墨烯导致吸光而不能实现材料内部完全固化导致的基体力学性能差的问题。　　(2)系统研究了该工艺中涉及的不同的工艺参数，包括浆料流变性能、“死区”厚度、最大打印速度、打印光源亮度、热固化参数、辅助电场强度。最大打印速度随着浆料流变性能的提高以及“死区”厚度的增大而增大；成型件力学性能随着光源亮度的减小而增大；热固化参数以及辅助电场强度的选择直接影响成型件的力学性能。针对不同石墨烯含量（0、0.5wt%、1.0wt%、2.0wt%)的石墨稀-树脂复合楽料，黏度分别为300mPas、450mPas、540mPas、850mPas;最大打印速度分别为gt;200mm/h、72mm/h、50mm/h、14mm/h;对应的最小临界光源亮度分别为250lm、270lm、300lm、340lm。“死区”厚度在微孔PET膜孔径为0.45[rni、P D M S涂层为20\|am时达到最大，为78μm;热固化参数为：真空环境中，以l℃/min的升温速度依次升温至100℃、150℃、180℃,并在每个温度下保温1h,最后随炉冷却；辅助电场选择500V/cm的直流电场。　　(3)使用本工艺制备了不同石墨烯含量的石墨烯-树脂有序复合材料以及无序复合材料，对所有成型件都观察了横截面微观结构并且进行了拉伸实验、弯曲实验。成型件不存在内部分层的现象，无序复合材料中的石墨烯杂乱无章的散落在树脂基体中，而有序复合材料中的石墨烯沿着电场方向呈现定向排列。石墨烯含量越大，复合材料力学性能越优异；相同石墨烯含量的有序复合材料的力学性能也比无序复合材料更优异。与纯树脂相比，2.0wt%的有序复合材料拉伸强度由44.38MPa提高至89MPa，提高了101%;拉伸应变由9.23%提高至27.69%,提高了200%;弯曲强度由4.13MPa提高至9.33MPa，提高了126%，弯曲应变由10.43%提高至20.6%，提高了98%。　　(4)对其电学性能进行测试和分析，表明相同石墨烯含量的有序复合材料比无序复合材料电学性能更加优异，石墨烯含量为2.0wt%时，有序复合材料的电阻率为6Ω+m，而无序复合材料的电阻率为96Ωm，是前者的16倍。借助于有序复合材料电学性能和力学性能的特点，设计了具有信号反馈功能的汽车保险杠模型，通过电阻的变化反映出复合材料内部裂纹的萌生与扩展，最后将有序复合材料制备的汽车保险杠模型与示警灯连接，通过示警灯的亮度反馈汽车保险杠模型的失效情况。　　综上所述，电场辅助连续面曝光3D打印工艺可以解决现有光固化工艺下成型件的Z向分层问题，以及通过电场辅助实现的有序排列可以进一步提高成型件的强度、韧性和导电性能，为有序复合材料的3D打印提供了一种新的解决方案。
作者：	蒋进
专业：	车辆工程
导师：	林荣会;张广明;魏金宝
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2021