可光固化压电复合材料及其在增材制造中的用途制造技术

由增材制造制成的零件在本质上通常是结构性的，而不是具有聚合物或存在于其中的组分传递的功能特性

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可光固化压电复合材料及其在增材制造中的用途


[0001]本公开一般涉及增材制造，并且更具体地涉及适合用于增材制造以形成具有压电特性的打印零件的可挤出组合物。
技术背景
[0002]增材制造，也称为三维(3D)打印，是快速增长的
虽然增材制造传统上用于快速原型制作活动，但是该技术正被越来越多地用于生产具有任何数量的复杂形状的商业零件和工业零件。增材制造方法通常通过逐层构建物体(零件)来操作，例如，通过：1)使得由连续长丝或其他打印材料源获得的熔融打印材料的料流进行沉积，2)使用激光烧结打印材料的粉末颗粒，或3)使用可挤出膏料组合物直接书写。逐层沉积通常在计算机的控制下进行，以基于待制造零件的数字三维“蓝图”将打印材料沉积在精确位置，其中打印材料的固结与沉积通常结合进行以形成打印零件。形成打印零件的主体的打印材料在本文中可被称为“构建材料”。
[0003]采用熔融打印材的料流来形成零件的增材制造方法可以利用热塑性聚合物长丝作为熔融打印材料的来源。此类增材制造方法有时被称为“熔融沉积成型”或“熔丝制造”方法。在本文中使用了后一术语。采用热塑性聚合物粒料或其他聚合物形式作为打印材料源的增材制造方法也是已知的。包含热塑性聚合物或可固化聚合物前体(树脂)的可挤出膏料组合物也可用于类似的直写式增材制造方法中。
[0004]采用打印材料的粉末颗粒的增材制造方法通常在打印材料沉积之后在所选择的颗粒床的位置执行直接加热以促进粉末颗粒聚结成固结零件。适用于促进粉末颗粒固结以形成固结零件的技术包括例如粉末床融合(PBF)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔融(EBM)、粘结剂喷射和多射流熔融(MJF)。
[0005]可使用上述增材制造方法来制造具有各种形状的各种零件。在许多情况下，在所述增材制造方法中采用的构建材料本质上可以在很大程度上是结构性的，而并非是本身具有先天功能性的聚合物。一个例外是压电功能性，其可以在由聚偏二氟乙烯形成的打印物体中表现出来，聚偏二氟乙烯是在极化时具有先天压电特性的聚合物。压电材料在机械应变下生成电荷，或者相反地，当向其施加电势时发生机械应变。压电材料的潜在应用包括感测、切换、致动和能量收集。
[0006]尽管期望形成具有压电特性的打印零件，但目前仅存在有限的选项来这样做。除了聚偏二氟乙烯之外，压电聚合物的范围相当有限，并且一些替代聚合物不适合在采用挤出的增材制造方法中进行打印。例如，交联聚合物一旦交联就完全不可加工，并且适用于形成交联聚合物的聚合物前体本身可能无法提供适合在熔丝制造和类似的打印方法中进行打印的形状因素。此外，与其他类型的压电材料相比，聚偏二氟乙烯的压电性相当低。这些缺点可能会限制可通过现有增材制造方法获得的具有压电响应的打印零件的范围。
[0007]具有高压电性的许多陶瓷材料是可获得的，例如锆钛酸铅(PZT)，但它们本身是不可打印的并且通常非常易碎。此外，在沉积主要为压电陶瓷之后可能需要高的烧结温度(>
300℃)来促进零件固结和压电颗粒互连性。聚合物和压电颗粒的混合物在打印零件中尚未提供高压电性能。这归咎于，在许多情况下，压电颗粒在聚合物中的差的分散性、颗粒团聚、以及压电颗粒与聚合物之间的有限的相互作用。不受任何理论的束缚，压电颗粒与聚合物之间的有限的相互作用导致了向压电颗粒的负荷转移较差，从而降低了在施加机械应变时由此获得的压电响应。在该方面颗粒团聚也具有一定的影响。

技术实现思路

[0008]在一些实施方案中，本公开提供了组合物，其包含：分散在包含至少一种热塑性聚合物和至少一种可光固化聚合物前体的聚合物材料的至少一部分中的多个压电颗粒。打印零件可包含所述组合物，任选地其中所述至少一种可光固化聚合物前体为共价交联的形式。
[0009]在一些或其他的实施方案中，本公开提供了复合材料，其包含：分散在包含至少一种含有可光固化官能团的热塑性聚合物的聚合物材料的至少一部分中的多个压电颗粒。
[0010]在又一些其他的实施方案中，本公开提供了增材制造方法，其包括：提供含有分散在包含至少一种热塑性聚合物和至少一种可光固化聚合物前体的聚合物材料的至少一部分中的多个压电颗粒的组合物，或者含有分散在包含至少一种含有可光固化官能团的热塑性聚合物的聚合物材料的至少一部分中的多个压电颗粒的组合物；使所述组合物逐层沉积以形成打印零件；使打印零件的至少一部分暴露在电磁辐射源中；以及在电磁辐射的存在下，至少使所述至少一种可光固化聚合物前体或可光固化官能团发生反应，以形成至少部分固化的打印零件。
附图说明
[0011]包括以下附图是为了说明本公开的某些方面，并且不应被视为排他的实施方案。如受益于本公开的本领域普通技术人员将想到的，所公开的主题能够在形式和功能上进行相当大的修改、改变、组合和等同。
[0012]图1示出了用于使用构建材料和可移除支撑材料生产零件的例示性熔丝制造方法的示意图。
[0013]图2示出了具有插置在零件与打印床之间的第一可移除支撑件和插置在零件的两个部分之间的第二可移除支撑件的例示性零件的示意图。
[0014]图3是PZT颗粒和PZT
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Acr颗粒的FTIR光谱的示例性叠加。
[0015]图4A示出含有实施例2的复合材料的热压圆盘的示例性SEM图像，其中丙烯酸酯低聚物是未固化的。图4B和4C示出含有实施例2的复合材料的热压圆盘的示例性SEM图像，其中丙烯酸酯低聚物分别固化在圆盘的一侧或两侧。图4D示出含有实施例2的复合材料的热压圆盘的未固化表面的示例性SEM图像。
具体实施方式
[0016]本公开一般涉及增材制造，并且更具体地涉及适用于增材制造以形成具有压电特性的打印零件的可挤出组合物。更具体地，本公开提供了适合于增材制造的组合物，其中压电颗粒以适合于增材制造的形状因素与聚合物材料结合，并且其中组合物的至少一个组分
在形成打印零件的过程中被固化。在各种实施例中，固化可包括通过光固化使压电颗粒与自身或与至少一种可光固化聚合物前体或与至少一种热塑性聚合物反应，使至少一种可光固化聚合物前体与自身或与至少一种热塑性聚合物反应，通过光固化使至少一种热塑性聚合物与自身反应，或其任何组合。具体的实例可以包括其中至少一种可光固化聚合物前体与自身共价交联以及任选地与压电颗粒交联的打印零件。在所述组合物中的一个或更多个组分之间的共价交联可以增加压电颗粒与聚合物材料之间的相容性，并增强由此形成的固化后的打印零件所得到的压电响应(压电性)。复合材料可以具有适合于通过挤出形成打印零件的各种形状因素，例如但不限于复合长丝、复合粒料、复合粉末和复合膏料，其中交联聚合物可以在形成打印零件的过程中被限定。形成共价交联聚合物的固化可以发生在形成一个或更多个打印层之后，并且在沉积另外的打印层之后，或者固化可以发生在打印零件已经完全形成之后。
[0017]如上述所讨论的，增材制造方法，例如熔丝制造法、直写法或类似的逐层沉积法，是用于生成多种复杂形状的打印零件的强大工具。在许多情况本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种组合物，其包含：分散在包含至少一种热塑性聚合物和至少一种可光固化聚合物前体的聚合物材料的至少一部分中的多个压电颗粒。2.根据权利要求1所述的组合物，其中聚合物材料和压电颗粒共同限定可挤出材料，所述可挤出材料是具有选自复合长丝、复合粒料、复合粉末和复合膏料的形状因素的复合材料。3.根据权利要求2所述的组合物，其中压电颗粒均匀分散在至少一部分的聚合物材料中。4.根据权利要求2所述的组合物，其中压电颗粒包含约10体积％至约85体积％的复合材料。5.根据权利要求1所述的组合物，其中聚合物材料和压电颗粒共同限定可挤出材料，所述可挤出材料是复合长丝。6.根据权利要求1所述的组合物，其中压电颗粒是可光固化的。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的组合物，其中压电颗粒、所述至少一种热塑性聚合物、或者它们的任何组合包含可光固化的官能团。8.根据权利要求1
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6中任一项所述的组合物，其中压电颗粒在与聚合物材料组合时基本上是非团聚的。9.根据权利要求1
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6中任一项所述的组合物，其中压电颗粒的平均粒子尺寸为约10微米或更小。10.根据权利要求1
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6中任一项所述的组合物，其中压电颗粒包括选自以下的压电材料：锆钛酸铅、掺杂锆钛酸铅、钛酸钡、钛酸铅、钛酸锶、锶钛酸钡、铌酸镁铅、铌酸镁铅
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钛酸铅、铌酸钾钠、钛酸铜钙、钛酸铋钠、磷酸镓、石英、电气石以及它们的任何组合。11.根据权利要求1
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6中任一项所述的组合物，其中所述至少一种可光固化聚合物前体与所述至少一种热塑性聚合物不混溶，或者所述至少一种可光固化聚合物前体可聚合成一种与所述至少一种热塑性聚合物不混溶的共价交联聚合物。12.根据权利要求11所述的组合物，其中在由所述至少一种可光固化聚合物前体获得的共价交联聚合物是不可溶解的或不可降解的条件下，所述至少一种热塑性聚合物是可溶解的或可降解的。13.根据权利要求11所述的组合物，其中压电颗粒基本上定位在所述至少一种可光固化聚合物前体中或定位在由所述至少一种可光固化聚合物前体获得的共价交联聚合物中。14.根据权利要求11所述的组合物，其中所述至少一种热塑性聚合物和所述至少一种可光固化聚合物前体是共连续分布的。15.根据权利要求1
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6中任一项所述的组合物，还包含：至少一种光引发剂。16.一种组合物，其包含：分散在包含至少一种含有可光固化官能团的热塑性聚合物的聚合物材料的至少一部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：加拿大国家研究委员会，
类型：发明
国别省市：