具有局部压电颗粒的压电复合材料及其在增材制造中的用途制造技术

通过增材制造制得的零件本质上通常是结构性的，而并非具有由聚合物或其它组成传递的功能特性

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有局部压电颗粒的压电复合材料及其在增材制造中的用途


[0001]本公开内容一般涉及增材制造，并且更具体地涉及可挤压组合物，其适用于增材制造以形成表现压电特性的打印零件。

技术介绍

[0002]增材制造，也称为三维(3
‑
D)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意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)沉积从连续长丝获得的熔融打印材料的料流或其他打印材料来源，2)使用激光烧结打印材料的粉末颗粒，或3)使用可挤压的浆料组合物直接书写。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]采用熔融打印材料流来形成零件的增材制造方法通常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。采用热塑性聚合物颗粒或其他聚合物形式作为打印材料来源的增材制造方法也是已知的。包括热塑性聚合物或可固化聚合物前体(树脂)的可挤压浆料组合物也可用于类似的直接书写增材制造方法中。
[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颗粒床(粉末床)的所选择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]可使用前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，聚偏二氟乙烯是极化后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。除聚偏二氟乙烯外，压电聚合物的范围相当有限，而且某些替代聚合物不适合在采用挤压的增材制造方法中打印。例如，共价交联聚合物一旦交联就完全无法加工，而适合形成共价交联聚合物的聚合物树脂本身可能无法提供适合在熔丝制造和类似打印方法中打印的形状因子(form factor)，并且/或者由聚合物树脂形成的打印零件在交联之前可能无法自我支撑。此外，与其它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通过目前的增材制造方法获得的具有压电响应的打印零件的范围。
[0007]目前有许多具有高压电性的陶瓷材料，如锆钛酸铅(PZT)，但它们本身是不可打印
的并且通常非常脆。此外，在主要沉积压电陶瓷后，可能需要较高的烧结温度(>300℃)来促进零件固结和压电颗粒的相互连接。聚合物与压电颗粒的混合物尚未在打印零件中实现高压电性能。在许多情况下，压电颗粒在聚合物中分布不良、颗粒团聚以及压电颗粒与聚合物之间的相互作用有限都是原因。在不囿于任何理论的情况下，压电颗粒与聚合物之间有限的相互作用会导致压电颗粒的荷载传递不良，从而降低施加机械应变时的压电响应。颗粒团聚也可能在这方面起作用。

技术实现思路

[0008]在一些实施方案中，本公开内容提供了组合物，其包含：多个位于聚合物基质的至少一部分中的压电颗粒，所述聚合物基质包含彼此互不相溶的第一聚合物材料和第二聚合物材料；其中，压电颗粒基本上定位在第一聚合物材料或第二聚合物材料之一中。打印零件可包括前述组合物。
[0009]在其他各种实施方案中，本公开提供了增材制造方法，其包括：提供一种组合物，所述组合物包含多个位于聚合物基质的至少一部分中的压电颗粒，所述聚合物基质包含彼此互不相溶的第一聚合物材料和第二聚合物材料；其中压电颗粒基本上定位在第一聚合物材料或第二聚合物材料之一中；以及通过逐层沉积所述组合物形成打印零件。
附图说明
[0010]包括以下附图是为了示出本公开内容的某些方面，并且不应被视为排他的实施方案。如本领域普通技术人员将想到的以及受益于本公开内容的，所公开的主题能够在形式和功能上实现相当大的修改、改变、组合和等同物。
[0011]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示例性熔丝制造方法的示意图。
[0012]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和插置在零件的两个部分之间的第二可移除支撑的示例性零件的示意图。
[0013]图3是示例共连续聚合物基质的示意图，所述共连续聚合物基质在两种聚合物材料之一中分布有压电颗粒。
[0014]图4是描述形成本公开组合物的示例性方法的流程图。
[0015]图5是含有体积比为1:1的PEO:HDPE和30体积％的PZT的示例性聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
[0016]图6是含有体积比为1:1的PS:PLA和40体积％的PZT的示例性聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
[0017]图7是含有体积比为2:3的SEBS:PLA和30体积％的PZT的示例性聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
[0018]图8是含有体积比为2:3的SEBS:PCL和40体积％的PZT的示例性聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
[0019]图9是含有HDPE和40体积％的PZT的对比聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
[0020]图10是含有体积比为1:1的PEO:HDPE的对比聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
[0021]图11是含有PLA和40体积％的PZT的对比聚合物制剂的示例性扫描电子显微镜图。
具体实施方式
[0022]本公开内容一般涉及增材制造，并且更具体地涉及可挤压组合物，其适用于增材制造以形成表现压电特性的打印零件。更具体地，本公开内容提供了含有两种互不相溶聚合物材料的组合物，该组合物限定了一种聚合物基质，其中压电颗粒分布在聚合物基质的至少一部分中，并集中(基本上定位)在聚合物基质的单聚合物相中。所述组合物可以限定具有形状因子的复合材料，其适用于增材制造。所述两种聚合物材料(例如两种不同的热塑性聚合物)可共连续分布在聚合物基质中。这些组合物可挤压并限定可具有各种形状因子的复合材料，例如但不限于复合长丝、复合球团(composite pellet)、复合粉末和复合浆料。
[0023]如上所述，增材制造方法诸如熔丝制造、直接打印或类似的逐层沉积方法是用于生成广泛的复杂形状范围的打印零件的强大工具。在许多情况下，逐层增材制造方法中使用的聚合物材料主要是结构性的，并且其本身不向打印零件传递功能特性。聚偏二氟乙烯是一个值得注本文档来自技高网...

【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：多个在聚合物基质的至少一部分中的压电颗粒，所述聚合物基质包含彼此互不相溶的第一聚合物材料和第二聚合物材料；其中，所述压电颗粒基本上定位在第一聚合物材料或第二聚合物材料之一中。2.根据权利要求1所述的组合物，其中，第一和第二聚合物材料以及压电颗粒共同限定了一种可挤压材料，所述可挤压材料为具有选自复合长丝、复合球团、复合粉末和复合浆料的形状因子的复合材料。3.根据权利要求2所述的组合物，其中，所述压电颗粒构成复合材料的约10体积％至85体积％。4.根据权利要求1所述的组合物，其中，第一和第二聚合物材料以及压电颗粒共同限定了一种可挤压材料，所述可挤压材料为复合长丝。5.根据权利要求1所述的组合物，其中，第一和第二聚合物材料分别包括第一和第二热塑性聚合物。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的组合物，其中，第一和第二聚合物材料共连续分布在聚合物基质中。7.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的组合物，其中，所述压电颗粒与所述聚合物基质的至少一部分共价键合，与聚合物基质的至少一部分共价交联，和/或通过π
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π键、氢键、强于范德华相互作用的静电作用或它们的任意组合与所述聚合物基质的至少一部分非共价相互作用。8.根据权利要求1
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5中任一项所述的组合物，其中，第一聚合物材料与第二聚合物材料的体积比为约25:75至约75:25。9.根据权利要求1
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5中任一项所述的组合物，其中，所述压电颗粒与所述聚合物基质结合时基本上不团聚。10.根据权利要求1
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5中任一项所述的组合物，其中，所述压电颗粒的平均粒度为约10微米或更小。11.根据权利要求1
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5中任一项所述的组合物，其中，所述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、钛酸锶钡、铌酸镁铅、铌酸镁铅
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钛酸铅、铌酸钾钠...

【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：