吉林大学：具有高比强度和耐温性的轻质聚酰亚胺蜂窝的3D打印

供稿人：王正 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

轻质结构通常应用于需要高比强度的应用，例如飞机，车辆和各种发动机部件。其中3，3'，4，4'-联苯四羧酸二酐（BPDA）和对苯二胺（PDA）型（UPILEX-S型）聚酰亚胺表现出优异的热稳定性（Tg高达≈400°C）和机械性能（拉伸强度超过500 MPa）。然而，它的热阻阻碍了现有3D打印技术的使用。

为了研究上述问题，吉林大学Chengyang Wang等展示了一种3D打印方法，用于生成具有前所未有的比强度和热阻的复杂轻质聚酰亚胺几何形状（图1）。BPDA与水溶性PDA和三乙胺（TEA）的简单水聚合反应得到了聚铵盐（PAAS）水凝胶。这些PAAS解决方案具有明显的剪切变稀性和热可逆性，以及高G′凝胶态模量，这确保了凝胶状态下的自支撑特征和形状保真度。

打印后热处理将PAAS前体转化为BPDA-PDA聚酰亚胺（UPILEX-S型）。由此产生的逐层沉积到三角形，方形和六角形结构形式的轻质聚酰亚胺蜂窝上，研究和讨论了不同蜂窝形状试样在拉伸和压缩载荷作用下的机械性能，样件制备过程如图2所示。

图1 （a）热敏性PAAS水凝胶的合成;（b）3D打印过程的示意图。

图2 通过3D打印技术获得的蜂窝结构

结果表明，固化后的热处理对于提高印刷结构的机械和热稳定性至关重要。打印后热处理为凝胶提供了全芳香族BPDA-PDA聚酰亚胺结构，其热稳定性高达590°C。 通过改变结构和密度，可以系统地调整三角形、方形和六角形蜂窝的抗压强度范围为12.6至43.5 MPa，密度范围为150至400 kg/m–3，而与室温下的值相比，保持了三分之二的强度。方形3D打印蜂窝的比强度比传统蜂窝部件（如HRH327）高出约200%。

这项工作为制造各种全芳香族聚酰亚胺提供了新的途径，这些聚酰亚胺具有可调的机械性能，设计自由度和高效率，适用于航空航天，汽车和微电子应用。

图3 3D打印PI蜂窝的机械性能

参考文献：
Wang C , Ma S , Li D , et al. 3D Printing of Lightweight Polyimide Honeycombs with the High Specific Strength and Temperature Resistance[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(13).