用于3D打印的液体硅橡胶流变性能设计及其应用研究

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液体硅橡胶(Liquid silicone rubber,LSR)是一种主链由硅氧原子交替组成,在其侧链或两端连有有机官能团的一类有机硅弹性体。其分子链结构具有有机与无机杂化的特点,赋予了其本身优异的耐高低温、耐老化以及生物相容性。在航空航天、汽车制造、电子器件和生物医疗等领域得到了广泛的应用。但在面对复杂的使用环境时,对硅橡胶材料的性能及成型方式提出了很大的要求。传统的LSR成型技术包括模压、挤压、注射等,具有成型质量好、效率高等优点,同时也存在模具制造成本高、复杂的空心结构部件难以制造等缺点。因此,如何利用先进成型技术来有效解决传统成型方式对高精度、复杂结构、定制化设计难以实现的难题具有十分重要的意义。3D打印技术,作为第3次工业革命的核心技术之一,能够满足未来制造业对于快速化、个性化、一体化的要求。与传统成型方式相比,3D打印具有精度高、可定制化成型复杂结构等优点。而材料是3D打印的物质基础,也是限制其进一步发展的技术瓶颈。直接墨水书写(Direct ink writing,DIW)是3D打印的一种,该技术要求打印材料具备合适的流变性能。流变性能包括明显的剪切变稀、快速的粘度恢复、较高的屈服应力等流变特性。但LSR作为一种非牛顿流体,其流变性能不满足打印需要。因此,目前大多数液体硅橡胶无法直接进行直接墨水书写。因此,本论文基于甲基乙烯基聚硅氧烷体系,拟通过流变性能设计使液体硅橡胶满足DIW对流变的要求。并在此基础上通过DIW技术构造具有不同结构的硅橡胶泡沫,并对其显微形貌、摩擦性能、摩擦机理、力学性能等进行研究。主要研究内容包括如下三部分:(1)3D打印液体硅橡胶墨水流变性能设计及其可打印性研究。以甲基乙烯基聚硅氧烷作为基体,以不同质量分数的亲水性纳米二氧化硅作为触变剂制备了有机硅墨水。利用旋转流变仪探究了不同配比的有机硅墨水的粘度、模量、屈服应力等流变性能变化规律。通过红外与DSC确定了墨水的固化参数为:150℃、1 h。综合对比几种配方的流变性能、可打印性、力学性能,选用亲水性纳米二氧化硅含量为3 wt%的墨水作为后续实验的基础。(2)3D打印可调表面结构硅橡胶泡沫及其静摩擦性能研究。采用上述设计的墨水,通过直接墨水书写构造了具有可调表面结构的硅橡胶泡沫。探究了法向载荷FN、微观结构取向、接触面积对于3D打印硅橡胶泡沫摩擦性能的影响。结果表明,样品的接触面积会受到表面微观结构取向的影响,从而影响样品的最大静摩擦力。并且,在不同的法向载荷作用下,对于同一个样品,其最大静摩擦力随着法向载荷的增加而增加。摩擦系数随着法向载荷的增加而减小。此外,还探究了温度对摩擦的影响。结果表明,温度越低,硅橡胶泡沫摩擦系数越高。最后通过公式推导与曲线拟合对摩擦机理做了进一步探究。(3)3D打印夹芯结构硅橡胶泡沫的制备及力学性能研究。通过直接墨水书写构造了不同密度的夹芯结构硅橡胶泡沫。通过固体流变仪等设备,对打印的不同密度夹芯结构硅橡胶泡沫的拉伸、压缩、应力松弛等性能进行了表征。结果表明,对于同一种结构的夹芯泡沫,当内部线距减小时,在相同应力下的应变逐渐减小,应力平台逐渐消失。应力松弛结果表明,简单立方(SC)结构的应力松弛率基本在23%左右,并且不随着内部线距的变化而变化;体心立方(FCT)结构的应力松弛率随着夹芯结构内部线距的增加从24%下降到了16%。
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