【摘 要】
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高性能工程塑料,如聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）,具有轻质高强、耐腐蚀等优点,因此广泛应用于国家战略领域关键零部件。然而,传统制造方法存在设计自由度低、复杂结构整体制造困难等不足。激光选区烧结（Selective Laser Sintering,SLS）作为增材制造技术的重要分支,对于整体成形复杂结构优势显著。然而,目前国内SLS装备预热温度低,只能用于低熔点聚合物
【基金项目】
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国家重点研发计划:高性能复杂聚合物零部件增材制造技术的研发与应用（2018YFB1106700）； 湖北省技术创新专项重大项目:高性能特种聚合物的增材制造技术与装备研发（2017AAA109）； 国家工业和信息化部工业转型升级重点项目:增材制造用高性能聚酰胺复合材料（2015-421）；
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高性能工程塑料,如聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）,具有轻质高强、耐腐蚀等优点,因此广泛应用于国家战略领域关键零部件。然而,传统制造方法存在设计自由度低、复杂结构整体制造困难等不足。激光选区烧结（Selective Laser Sintering,SLS）作为增材制造技术的重要分支,对于整体成形复杂结构优势显著。然而,目前国内SLS装备预热温度低,只能用于低熔点聚合物的成形,在成形高性能聚合物时极易发生翘曲变形,这成为限制我国SLS技术发展的重要因素。因此,针对高性能聚合物的成形,本文开展预热温度达400℃的高温激光选区烧结（High Temperature-Selective Laser Sintering,HT-SLS）技术研究,但主要面临以下问题,（1）高温装备:HT-SLS装备需满足成形腔的高温及温度场均匀性控制,同时对光学系统进行有效的热力防护;（2）粉末材料:适用于HT-SLS技术的粉末材料需同时满足高温流动性、烧结窗口等多项指标要求;（3）成形机理:HT-SLS成形过程中的动力学结晶行为对制件性能的重现性与稳定性至关重要,但缺乏相关机理研究。针对上述问题,开展了以下研究工作:（1）构建了具有独立控温功能的HT-SLS装备平台。通过重新设计具备独立空间的送粉和成形腔体,有效地实现了送粉与成形两个关键操作的独立预热及温度场均匀性控制。装备成形台面为125×125×400 mm3,最高预热温度达400 ℃。通过腔体间的高度差与部分重叠设计解决了粉末输送与热耗散问题。此外,针对性地增设了水冷风冷层叠设置的热力防护与冷却系统,使整个光学布局处于合适的工作温度范围;（2）通过高温预铺红外辐射方法制备了适用于HT-SLS技术的PEEK粉末材料。粉末整体呈现均一形貌,BET比表面积显著降低64.96%,向球形化趋势发展,烧结窗口可达27.26 ℃。经六甲基二硅氮烷疏水型气相SiO2进一步改性后的PEEK粉末,安息角降至31.74°,堆积密度可达0.454 g.cm-3,可同时满足粉末高温流动性、烧结窗口、堆积密度等关键指标要求;（3）在聚己内酰胺（Polyamide 6,PA6）工艺与微观结构的研究基础上,进行了PEEK的HT-SLS成形机理与工艺研究。通过结晶动力学方法分析了PEEK在HT-SLS周期性过程中涉及的准等温与动态非等温结晶过程,发现了PEEK对冷铺粉促结晶作用的敏感机制,并基于Hoffman-Lauritzen理论的半结晶时间1/t1/2外推分析确定了有效的加工温度330℃。PEEK制件的最高拉伸强度可达85.14±4.62 MPa,其具有特征的放射形花纹状形貌,以及更加扩展的苯环平面亚单元和晶胞体积。在高温装备、粉末材料与成形机理的研究基础上,制备了PEEK复杂结构件,包括极小曲面点阵结构与椎间融合器零件。本研究将对高性能聚合物复杂结构件的增材制造提供理论支撑和有效的技术手段。
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