含牺牲材料的压电复合材料及其在增材制造中的用途制造技术

通过增材制造而制成的零件本质上常常是结构性的，而不具有由其中存在的聚合物或其他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】含牺牲材料的压电复合材料及其在增材制造中的用途


[0001]概括而言，本公开涉及增材制造，更具体地，涉及适用于增材制造以形成表现出压电特性的打印零件的可挤出组合物
。

技术介绍

[0002]增材制造
(
也称为三维
(3
‑
D)
打印
)
是一个快速发展的

。
尽管增材制造传统上用于快速原型制作活动，但是该技术正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
(
部件
)
来操作，例如，通过
1)
沉积自连续长丝获得的熔融打印材料或其他打印材料源的料流，
2)
使用激光烧结打印材料的粉末微粒，或
3)
使用可挤出糊料组合物直写
(direct writing)。
逐层沉积通常在计算机控制下进行，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往往共同进行以形成打印零件
。
形成打印零件主体的打印材料在本文中可称为“构建材料”。
[0003]采用熔融打印材料的料流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“熔融长丝制造
(fused filament fabrication)”方法
。
本文使用后一术语
。
采用热塑性聚合物球粒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
)
的可挤出糊料组合物也可用于类似的直写增材制造方法中
。
[0004]采用打印材料的粉末微粒的增材制造方法往往在打印材料沉积之后在微粒床
(
粉末床
)
的选择的位置进行直接加热，以促进粉末微粒聚结为固结零件
。
适用于促进粉末微粒固结以形成固结部件的技术包括例如粉末床融合
(PBF)、
选择性激光烧结
(SLS)、
电子束熔化
(EBM)、
粘合剂喷射和多射流融合
(MJF)。
[0005]可以使用前述增材制造方法制造具有各种形状的广泛零件
。
在许多情况下，在这些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，聚偏二氟乙烯是一种经极化而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例如感测
、
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用于在采用挤出的增材制造方法中打印
。
例如共价交联聚合物一旦交联过就完全不可用，且适于形成共价交联聚合物的聚合物树脂本身可能不能提供适用于在熔融长丝制造中打印和类似打印方法的形状要素
(form factors)
，和
/
或由聚合物树脂形成的打印零件在发生交联之前不能自支撑
。
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]许多具有高压电性的陶瓷材料是可获得的，例如钛酸铅锆
(PZT)
，但它们本身是不
可打印的并且常常非常易碎
。
此外，在主要沉积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粒子互联
。
聚合物和压电颗粒的掺混物尚未在打印零件中提供高压电性能
。
在许多情况下归咎于压电颗粒在聚合物中不良的分散性
、
颗粒团聚以及压电颗粒和聚合物之间有限的相互作用
。
不囿于任何理论，压电颗粒和聚合物之间有限的相互作用导致向压电颗粒的载荷传递弱，从而降低在施加机械应变时由此获得的压电响应
。
颗粒团聚也可以在这方面起到作用
。

技术实现思路

[0008]在一些实施方案中，本公开提供的组合物包括：在至少一部分聚合物基体中的多个压电颗粒，所述聚合物基体包括第一聚合物材料和与所述第一聚合物材料不混溶的牺牲材料；其中所述牺牲材料可从所述第一聚合物材料去除
。
打印零件可以包括所述组合物
。
[0009]在一些或其他实施方案中，本公开提供了增材制造方法，其包括：提供包括在至少一部分聚合物基体中的多个压电颗粒的组合物，所述聚合物基体包括第一聚合物材料和与所述第一聚合物材料不混溶的牺牲材料；其中所述牺牲材料可从所述第一聚合物材料去除；并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例了本公开的某些方面，并且不应被视为排他的实施方案
。
如具有本领域普通技术且受益于本公开的人员会想到的，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去除支撑材料制备零件的示例性熔融长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去除支撑件和插置在零件的两个部分之间的第二可去除支撑件的示例性零件的示意图
。
[0013]图3为示例性的具有分布在两种聚合物材料之一中的压电颗粒的共连续聚合物基体的示意图
。
[0014]图4为描绘示例性的形成本公开组合物的方法的流程图
。
[0015]图
5A
和
5B
为含有体积比
1∶1
的
PEO∶HDPE
和
30
体积％的
PZT
的示范性聚合物制剂在溶剂处理以去除
PEO
相之前
(
图
5A)
和之后
(
图
5B)
的示例性扫描电子显微图
。
[0016]图
6A
和
6B
为含有体积比
1:1
的
PS∶PLA
和本文档来自技高网...

【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，包括：在至少一部分聚合物基体中的多个压电颗粒，所述聚合物基体包括第一聚合物材料和与所述第一聚合物材料不混溶的牺牲材料；其中所述牺牲材料可从所述第一聚合物材料中去除
。2.
根据权利要求1所述的组合物，其中在特定条件下牺牲材料可溶解
、
可降解
、
可升华或可蒸发，而第一聚合物材料不可溶解
、
不可降解
、
不可升华或不可蒸发
。3.
根据权利要求2所述的组合物，其中所述第一聚合物材料
、
所述牺牲材料和所述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
、
复合球粒
、
复合粉末和复合糊料的形状要素的复合材料
。4.
根据权利要求3所述的组合物，其中所述压电颗粒构成约
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，其中所述第一聚合物材料
、
所述牺牲材料和所述压电颗粒共同限定可挤出材料，所述可挤出材料为复合长丝
。6.
根据权利要求1所述的组合物，其中压电颗粒基本上位于第一聚合物材料中
。7.
根据权利要求1‑6中任一项所述的组合物，其中所述牺牲材料包括第二聚合物材料
。8.
根据权利要求7所述的组合物，其中所述第一聚合物材料和第二聚合物材料分别包括第一热塑性聚合物和第二热塑性聚合物
。9.
根据权利要求8所述的组合物，其中所述第一聚合物材料包括所述第一热塑性聚合物和可固化树脂
。10.
根据权利要求7所述的组合物，其中所述第一聚合物材料和第二聚合物材料共连续地分布在所述聚合物基体中
。11.
根据权利要求7所述的组合物，其中所述第一聚合物材料与所述第二聚合物材料的体积比为约
25∶75
至约
75∶25。12.
根据权利要求1‑6中任一项所述的组合物，其中所述压电颗粒共价结合至至少一部分所述第一聚合物材料
、
可与至少一部分所述第一聚合物材料共价交联
、
和
/
或通过
π
‑
π
键结合
、
氢键结合
、
强于范德华相互作用的静电相互作用或其任何组合与至少一部分所述第一聚合物材料非共价相互作用
。13.
根据权利要求1‑6中任一项所述的组合物，其中所述压电颗粒在所述聚合物基体内基本上不团聚
。14.
根据权利要求1‑6中任一项所述的组合物，其中所述压电颗粒具有约
10
微米或更小的平均粒度
。15.
根据权利要求1‑6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
、
铌镁酸铅
、
铌镁酸铅
‑
钛酸铅
、
铌酸钾钠
、
钛酸铜钙
、
钛酸铋钠
、
磷酸镓
、
石英
、
电气石及其任何组合
。16.
根据权利要求1或2所述的组合...

【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：