石墨烯/柔性聚乳酸自传感复合材料结构3D打印与性能研究

为了深入研究石墨烯复合材料压阻特性,解决压阻复合材料定量传感问题,实现自传感结构变形监测,通过球磨混合工艺和单螺杆挤出工艺制备了石墨烯/柔性聚乳酸复合丝材,采用材料挤出成形3D打印作为石墨烯/柔性聚乳酸自传感复合材料的结构成型工艺,对导电高分子复合材料的压阻特性展开研究,探究了不同载荷条件对复合材料压阻特性的影响规律,...     

浆料直写陶瓷3D打印挤出环节的流动分析研究

利用浆料直写技术可实现陶瓷3D打印的无模常温成型,基于螺杆挤出机在食品加工等领域的广泛应用,提出一种螺杆挤出结构代替原有的针筒式挤出结构,为了理解陶瓷浆体在螺杆螺道内的流动情况,首先通过流变仪测定了浆体的流变特征并采用MATLAB拟合了浆体的本构方程,最后利用格子Boltzmann方法(LBM)对流动过程进行了分析,获...     

碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料的直写打印研究

通过直写打印技术首次打印具有三层壳核微观结构的碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料长丝,以碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料长丝堆叠成立体结构,干燥固化后再通过以聚碳硅烷为前驱体的溶液进行渗透,最终以真空烧结炉热解最终得到力学性能较好的网格结构试样。重点研究不同配比下碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料打印墨水的打印难度,以及在不同热解温度下得到试样的性能进行对比。实验结果表明,配置的打印墨水黏度越低,复合材料同轴打印挤出难度越低,但复合材料长丝凝固成形难度越高。在得到复合材料长丝打印成形的最佳工艺参数及相应长丝直径数据后,以中空网格结构为实例,通过多层堆叠打印由三层壳核微观结构的复合材料长丝组成的方形、圆形立体结构,干燥后进行多次浸渍工艺附着聚碳硅烷,再进行分步热解处理,得到的试样经过力学拉伸测试,其拉伸强度约为22.35Mpa。碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料的直写打印工艺可行性。     

电活性聚合物PVC凝胶材料的3D直写打印工艺

鉴于电活性聚合材料PVC凝胶具有驱动电压低、且具有弯曲和拉压变形的双重能力,有望满足软体机器人个性化与结构复杂设计需求,将直写打印技术与材料的成型制备方法结合起来,研究了PVC凝胶的打印工艺。首先,配置了不同浓度的打印墨水,测试了不同浓度打印墨水的流变性能用以表征其可打印性,结果表明配置的PVC凝胶打印墨水整体表现为剪切变稀性质,具有较强的可打印性,其中质量比为聚氯乙烯(PVC)∶己二酸丁二酯(DBA)∶四氢呋喃(THF)=1∶4∶12.5的溶液用于打印具有固化速度快,易于挤出的特点。然后,通过单点成线试验,发现打印参数为:挤出流量为0.02m L/min,扫描速度为36 mm/s时,成线精度可以达到0.15 mm。在此基础上,进行三维叠加打印试验,实现了波纹状、网状、鱼鳞状PVC凝胶结构的3D打印。采用3层鱼鳞状PVC凝胶结构做成叠层,给该结构施加700 V方波电压时,其上下振动位移达到0.21mm;施加900V方波电压时,其驱动力为1.18N,为自身重量的21倍。试验结果表明:直写打印制备出来的PVC凝胶材料驱动性能良好,表明打印工艺的可行性。     

连续纤维增强复合材料变刚度结构3D打印与性能研究

连续纤维增强复合材料变刚度结构可以通过调控纤维含量和方向分布以最大化利用纤维的性能优势。然而现有制造工艺难以实现纤维含量的精确调控,基于连续纤维增强复合材料3D打印工艺,建立了工艺参数与纤维含量的映射关系,通过动态调控打印过程中纤维与树脂的进给比例,实现了连续纤维增强复合材料变刚度结构的一体化无模快速制造。系统研究了纤维含量变刚度分布对制件弯曲与冲击性能的影响,在相同平均纤维含量下,3D打印变刚度结构的抗弯模量与冲击强度分别比均质结构提高了70%和65%。通过建立3D打印连续纤维增强复合材料变刚度结构的本构及有限元分析模型对其失效行为进行了分析,结果表明将较高纤维含量设置在制件的背侧,可以增加制件对纤维拉伸破坏的抵抗能力,大大提高制件的承载能力和纤维的使用效率。研究为航天航空、轨道交通等领域复合材料的设计制造提供了新的思路。     

离子液体柔性应变传感器3D打印工艺及性能研究

可拉伸柔性应变传感器是柔性电子系统的关键组成部分。离子液体具有优异的电学性能、低挥发性、高稳定性等特性,在化学和电子研究领域应用广泛。但是离子液体流动性强,而且不可拉伸,无法直接应用于柔性电子系统。为此,基于硅胶包覆离子液体的同轴3D打印技术,提出一种可拉伸柔性应变传感器制造方法,实现了离子液体和其可拉伸封装材料的一体式加工。设计了可拉伸变形的离子液体原位封装结构,开发了用于同轴打印的挤出系统,优化了同轴包覆的3D打印工艺,并在此基础上对所制柔性传感器进行了各项传感性能测试。发展了一种多材料多功能结构的同轴3D打印技术,探索了离子液体在柔性电路中的实际应用,为柔性电子系统的设计与加工提供了新的思路。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料(Polymer matrix composites,PMC)成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性,尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题,提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验,揭示了主要工艺参数(碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等)对于打印件分辨率(精度)和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台,并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式,实现了多层石墨烯/聚乳酸(Polylactic acid,PLA)和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明,提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型(使用内径300μm喷嘴,实现了分辨率为40μm的PMC特征结构制造),而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的优异特性,但传统成型工艺具有成本高、过程复杂、难以回收的缺点限制了复合材料的广泛应用,介绍了一种新的连续纤维增强热塑性复合材料3D工艺(CFRTPCs)及其回收再利用策略,建立成型过程与界面性能、力学性能的内在联系,打印连续碳纤维增强聚乳酸(CF/PLA)样件抗弯强度与模量分别达到390MPa与30.8GPa,实现了复合材料低成本一体化快速制造,其回收再利用过程无污染,材料利用率为75%,二次打印样件抗弯强度提高25%左右,实现了复合材料高效高性能绿色回收再利用,二者结合形成一种全生命周期复合材料应用模式。     

多壁碳纳米管/聚吡咯导电复合材料的制备及性能

以羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)和吡咯单体为反应物,通过原位聚合方法成功制备了MWCNTs/聚吡咯(PPy)导电复合材料;通过傅里叶红外光谱仪、扫描电镜、热重分析仪及四探针电导仪对复合材料的结构与性能进行了表征。结果表明:羧基化MWCNTs高的长径比和大的比表面积使得复合材料比纯PPy的电导率和热稳定性能有显著提高;随着MWCNTs含量增加,复合材料的电导率和热稳定型均明显提高;当MWCNTs质量分数为20%时,复合材料的电导率达到11.1S·cm-1。     

连续碳纤维复合材料3D打印的切片方向调控

三维模型切片处理是3D打印的前提。由于连续碳纤维复合材料各向异性的特点,分层处理前,根据成型样件力学性能的方向性要求,对三维模型切片方向进行调控是获得满足成型性能需求的碳纤维3D打印零部件的保证。在三维拓扑重建的基础上,通过力学方向约束下的坐标矩阵变换算法实现三维模型切片处理的方向性调控;采用变换矩阵空间后的切平面相交法进行等层厚分层处理,实现连续碳纤维复合材料3D打印成型路径方向规划。通过不同模型多方向切片处理实验证明算法的有效性。     

一种纳米复合材料的压力传感器研究

研究了一种由多壁碳纳米管(MCNT)和环氧树脂的混合物制备而成的球状压力传感器,对传感器的工作机理进行了分析,基于固体力学理论建立了传感器电阻和压力的关系模型,表明传感器的电阻随外压的增加而减小。同时,传感器的灵敏度依赖于球体直径和碳管添加量两个重要参数,即球体直径越小,传感器灵敏度越高;碳管添加量越大,传感器灵敏度越低。研究亦开展了针对性实验,实验结果与理论预测相吻合,证明了提出的理论模型的正确性。研究为压力传感器的结构优化与灵敏度的提高提供了参考。     

连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究

连续碳纤维复合材料3D打印的成型质量与成型性能受到三维成型过程中温度、速度、层高等多工艺条件及复合材料本身、打印喷头等多物理参数的影响,合理工艺参数的选择是高质量碳纤维三维成型的保证。针对碳纤维长纤复合材料连续性与各向异性的特点,研究了连续碳纤维3D打印的系统构成与工艺模型,分析了三维成型过程中不同工艺参数与成型结果间的影响关系,通过3D打印实验验证理论分析的正确性。研究为连续碳纤维复合材料3D打印合理工艺条件的选择提供了依据。     

基于拓扑优化的多复合材料3D打印增强方法及实验研究

针对多复合材料3D打印制造中利用连续纤维增强模型强度问题,提出利用拓扑优化技术对模型进行增强的方法,提升其力学性能。基于变密度法中的固体各向同向材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization, SIMP)方法,引入体积分数常量,求解出模型的拓扑结构;建立采用增强材料填充拓扑结构、基础材料填充空洞结构的多复合材料3D打印材料分布模型,从而使得模型的整体结构得到强化。为验证该方法的可行性,以120 mm×80 mm×10 mm的矩形小板为例,利用ANSYS软件建立静力学仿真模型,与未增强模型力学分析结果进行对比,得到采用层间增强、轮廓增强和拓扑增强的模型在Y方向上的位移降低幅度分别为88.90%、87.10%和94.13%,采用拓扑增强的模型位移降低幅度最大;拓扑增强相对于轮廓增强和层间增强在Y方向位移上分别降低了50.79%和54.65%,表明该方法适用于多复合材料3D打印。根据仿真内容进行静力学实验分析,实验结果表明优化结构对比未优化结构在位移上减小了39.6%,证明了该方法对于复合材料3D增强打印具有实用价值。     

喷印柔性压力传感器试验研究

柔性压力传感器是智能机器人和生物医疗等典型应用领域中的关键部件。针对10～50 kPa中等压力下对柔性压力传感器的高灵敏度、良好压力分辨率和快速响应需求,提出在PDMS基底上直写喷印石墨烯纳米片(GNPs)/多壁碳纳米管(MWCNT)构建S型折线图案化敏感单元,结合封装层微结构阵列,制备中压高灵敏度、低检测限的柔性压力传感器。试验结果表明,在压力为0～15 kPa和15～40 kPa的条件下,该传感器灵敏度分别为0.114 kPa–1和1.41 kPa–1,响应/恢复速度快(约100 ms/50ms)。同时,其也可检测低至约3Pa的微小压力。同时,该传感器更是能对不同发声进行准确的区分识别,对不同的指压信号进行精确稳定反馈。可见,喷印制造柔性压力传感器将为语音识别、人工假肢、制备高性能电子皮肤和医疗康复器件等提供可能的优选方案。     

3D打印复合材料开孔板力学性能影响规律

为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能,研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件,并将其与栅格路径填充开孔板和机械加工开孔板进行了拉伸性能对比。结果表明：主应力轨迹路径填充开孔板与机械加工开孔板相比,拉伸强度高9.73%,弹性模量高25.58%;主应力轨迹路径填充开孔板在断裂前圆孔周围的应变分布更均匀,应变更小。     

基于正交试验的CNT/PDMS复合材料直写打印参数优化

为了获得平整的CNT/PDMS复合材料的打印表面,为后续提升材料的传感性能。通过直写打印技术来获得复合材料结构,对其影响因素进行正交试验设计,再通过测量打印试样的宽度和厚度,对其极差、方差进行分析来优化打印参数。在实验中,配制了CNT/PDMS墨水并设计了其打印结构为20 mm×20mm×1.8 mm长方体,选用0.45 mm孔径的针头在200 k Pa的挤出气压下打印。选取了打印速度、扫描间距和层厚三个因素为主要影响因素并设置了相应的三个水平进行了正交试验设计。打印了9个试样并测量了试样的宽度和厚度,通过其极差和方差分析一致可得：三因素对宽度和厚度影响程度排序均为层厚>打印速度>扫描间距。根据极差和均值分析可得：影响宽度的打印参数最优组合为打印速度15 mm/s,扫描间距0.45 mm,层厚0.15 mm。影响厚度的打印参数最优组合为打印速度15 mm/s,扫描间距0.30 mm,层厚为0.15 mm。这为后续打印效果中传感性能的优化打下了良好的基础。     

软体机器人3D打印制造技术研究综述

基于弹性、软质材料的软体机器人变形能力强、人-机-环境共融性好,在工业、医疗、家庭服务等众多领域具有良好的应用前景.软体机器人是本体、驱动、感知等高度集成的新型机电一体化智能系统.软体机器人呈现的诸多新特征给机器人领域的制造、驱动、建模、感知及控制等技术带来了全新的挑战.软质材料3D打印技术与装备的快速发展为软体机器人...     

连续纤维自增强复合材料3D打印及其回收性能研究

连续纤维增强复合材料3D打印工艺的出现,为复合材料构件低成本快速制造提供了一种新方法,为了充分利用3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成形快,易成形复杂零部件的特点,结合自增强复合材料具有良好界面结合性,可循环利用的优势,分析了自增强复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出一种利用过冷熔体成形连续纤维自增强复合材料的3D打印方法,设计了基于过冷的自增强复合材料熔融挤出打印喷头,采用聚苯硫醚(Polyphenylene sulfid,PPS)纤维与PPS树脂作为自增强复合材料原材料,探究自增强复合材料成形打印温度窗口、复合材料力学性能、微观界面结合性,以及对连续纤维自增强复合材料完全可回收性能研究分析。     

基于导电硅橡胶的力触觉传感器结构设计

基于量子力学的隧道效应,探究导电硅橡胶的压阻特性,以实验的方式拟合压力和导电硅橡胶电阻值的数学模型。根据触觉传感器压力检测方式,设计多层式传感器结构,实现外界接触力的检测,并对传感器的输出特性进行误差分析,验证了该传感器结构的合理性。