【摘 要】
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随着科学技术的发展,人们对材料的性能提出了更加苛刻的要求。聚合物基功能梯度材料不仅具有优良的加工特点,还具备质量轻、耐腐蚀性能好、耐疲劳性好和安全性能高等优点,已被广泛应用于航空航天、机械工程、生物医疗、柔性产品等诸多领域。为解决现有聚合物基功能梯度材料与结构制造过程中存在的一致性、层间结合性、精准控形和普适性（高粘度材料体系、低粘度材料体系）等方面的不足与局限性,本文提出了一种基于多材料3D打印
【基金项目】
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国家自然科学基金:单喷头多材料电流体动力喷射3D打印机理和规律的研究,No:51775288； 山东省自然科学基金重大基础研究项目:增材制造专用的高性能功能梯度材料设计及其控形控性关键科学问题研究,No:ZR2020ZD04；
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随着科学技术的发展,人们对材料的性能提出了更加苛刻的要求。聚合物基功能梯度材料不仅具有优良的加工特点,还具备质量轻、耐腐蚀性能好、耐疲劳性好和安全性能高等优点,已被广泛应用于航空航天、机械工程、生物医疗、柔性产品等诸多领域。为解决现有聚合物基功能梯度材料与结构制造过程中存在的一致性、层间结合性、精准控形和普适性（高粘度材料体系、低粘度材料体系）等方面的不足与局限性,本文提出了一种基于多材料3D打印和约束牺牲层的功能梯度材料-结构一体化制造新方法,进行实验平台搭建、工艺参数研究、典型实验样件制备并测试其性能,具体工作如下:（1）提出一种基于多材料3D打印和约束牺牲层的功能梯度材料-结构一体化制造技术,其原理是:先用约束牺牲打印喷头（FDM技术）制备一层约束牺牲结构,然后用被动混合打印喷头在约束牺牲层内完成该层梯度材料的打印,对该层进行固化处理,之后开始下一层的打印,依次成形,直至完成整个功能梯度结构的制备。通过改变供料模块的供料速度,实现材料的连续梯度变化。其创新点是:引入约束牺牲层结构,解决了打印精度、稳定性和一致性差的问题;在约束牺牲层辅助下,引入两步固化的策略,改进了功能梯度零件的层间结合强度和连续梯度性能。（2）设计并搭建了实验平台,探索了打印层厚对最终制备的功能梯度结构的影响,研究发现当约束牺牲打印层厚与功能梯度打印层厚相等、功能梯度打印速度与出料速度相等时,能打印出表面光洁质量良好的功能梯度层;并研究打印参数（挤出速度、打印速度、线间距）对打印层厚的影响及其规律,通过实验研究得到的打印工艺参数有如下规律:无论是打印低粘度材料体系（光敏树脂）,还是打印高粘度材料体系（PDMS）,打印速度或线间距的逐渐增大,打印层厚逐渐减小;而随着挤出速度的增大,打印层厚逐渐增大。对材料混合比例的输送延迟问题进行了研究,通过测试出料口的质量流量,实验得到了总延迟体积。（3）对均质光敏树脂绝缘子和梯度材料绝缘子进行了仿真研究,得出介电功能梯度绝缘子电场分布最优,更适合高压的环境。使用本文提出的技术实现了低粘度材料体系光敏树脂/石墨烯介电功能梯度绝缘子的制备,并进行了电学性能测试。实验表明,介电常数随着石墨烯含量的增加逐渐增大,同时,由于界面极化的增强,损耗因数也逐渐提高;随着石墨烯含量的增加,介电功能梯度结构的内部载流子数量增加,导致电阻率逐渐减小;与均质绝缘相比,使用梯度绝缘后,在交流或直流电压作用下,沿面闪络强度也随着石墨烯含量的增加逐渐增大,提升幅值均超过了14%。（4）采用应力和位移两种后处理方法进行有限元分析,探究了功能梯度结构的独特优势,并且确定了最优的打印层厚。用本技术制备了高粘度材料体系的PDMS/Al2O3变刚度功能梯度三维结构,对两个不同的梯度截面进行微观成分分析,得到随着三维结构的梯度变化,铝元素的质量分数变化曲线图基本相同,且呈现连续线性变化。相较于单一PDMS材料,变刚度功能梯度材料,随着Al2O3含量的变化,硬度逐渐提升,含量最高的一侧增加了1倍。综上所述,基于多材料3D打印和约束牺牲层的功能梯度材料-结构一体化制造方法具备高普适性,同时还能精准的控制打印形状,保持高一致性,且层间结合性能优异等优势。
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