3D打印,又称增材制造,是一种材料快速成型技术。对于高分子材料而言,3D打印最直接的贡献是助其摆脱模具的束缚而能够成型复杂几何形状或结构。这一点越来越受到重视,原因是结构设计在高分子材料的性能表现和应用场景中扮演越来越重要的角色。3D打印技术特别适合制造那些具有个性化特点的零部件,这些零部件在生物医学、航天航空等领域有着广泛的需求。这些需求同时促进了打印技术、打印设备和打印材料的发展。更进一步来看,3D打印对于材料成型深层次的意义在于它是一种增材制造方法,通过材料不断地累加形成最终的产品,材料累加的方式、顺序等工艺参数亦能成为打印件性能的调节参数。尤其在多材料3D打印技术不断发展成熟的情况下,不同材料的搭配、不同材料的空间分布等都成为材料设计中不可忽视的、甚至决定性的因素。本论文以应用需求为背景,采用微纳米填料改性聚合物为原材料,利用挤出式3D打印设备,制备出具有不同功能特性的纳米复合材料;通过对材料结构设计和打印工艺优化,实现了纳米复合材料性能的改善,显示出3D打印技术较传统成型技术的特点或优势。具体内容包括以下几个部分:(1)导电、类似皮肤力学响应的Horseshoe结构通过熔融共混将碳纳米管引入热塑性聚氨酯基体,得到了导电弹性复合材料。将复合材料进一步加工成为1.75 mm直径的线材以后,便可以通过熔融沉积3D打印机实现3D打印。在对3D打印机进行硬件上的改进,以及对于打印控制代码的修改后,可以实现Horseshoe结构的精确打印,该结构具有与人体皮肤相类似的力学响应,且可以通过结构几何参数的调整实现对其力学响应的精确调控。这样我们就通过3D打印实现了与人体皮肤相同力学响应的弹性导体,成功将材料的结构属性与功能属性结合在一起。(2)环氧3D打印墨水的制备及打印样品的力学性能以纳米气相二氧化硅颗粒改性环氧树脂,制备出纳米环氧3D打印墨水,使之适用于墨水直写3D打印技术。研究了纳米颗粒含量、比表面积、表面修饰、分散手段等对环氧树脂凝胶状态的影响规律,建立了墨水流变性能与打印效果之间的定性关系。通过一系列力学测试,包括准静态拉伸、准静态弯曲、断裂、冲击,对不同打印路径的样品进行了较为全面的力学性能表征,其结果显示打印样品没有明显的路径依赖,且相比于浇铸样品没有性能上的下降。(3)3D打印高模、高强形状记忆环氧复合材料在研究(2)的基础上,向环氧打印墨水中添加短碳纤维对材料进行增强。在材料3D打印挤出过程中,短纤维形成了明显的取向,通过Micro CT对其取向进行了表征。由于短纤维的取向,打印样品在沿着取向方向表现了更高的模量和强度。针对其优异形状记忆效应的应用,我们设计并制备了可作为支撑材料的打印墨水,用双打印头同时打印,实现了具有高跨度结构三维模型的成型,拓宽了3D打印样件的种类。(4)3D打印环氧复合材料的摩擦磨损性能在研究(2)的基础上,通过在环氧打印墨水中添加短纤维和石墨,制备出了具有低摩擦系数、低磨损率的3D打印环氧基复合材料。同样是由于材料在3D打印挤出过程中填料的取向,复合材料的摩擦性能显示出明显的各向异性。通过对摩擦磨损机理的分析,并在此基础上,利用打印路径的设计对样品不同区域的填料取向进行调节,能进一步提升材料在高正压力下的摩擦磨损性能。