兰州化物所3D打印聚酰亚胺自润滑研究取得系列进展

  聚酰亚胺自润滑复合材料具有优异的热稳定性、机械强度和自润滑等综合性能,广泛应用于航空航天、汽车制造和微电子等领域。 

  近期,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室3D打印摩擦器件研究团队在3D打印聚酰亚胺润滑材料与器件研究方面得了系列进展。为解决聚酰亚胺溶解性和光固化3D打印成型难题,研究人员通过分子结构设计,于2017年发展了具有优异溶解性能的可快速光固化聚酰亚胺树脂,并实现了具有优异耐高温等综合性能的DLP光固化3D打印聚酰亚胺(J. Mater. Chem. A, 2017, 5,16307)。受传统聚酰亚胺先由聚酰胺酸涂膜再热酰亚胺化处理工艺的启发,提出并发展了紫外辅助直书写打印(UV-DIW)聚酰亚胺3D打印(Adv. Eng. Mater., 2019, 1801314),在材料与工艺方面均取得了突破,实现了较高精度聚酰亚胺3D打印成形制造(图1)。相关技术分别获中国发明专利授权(ZL 201510668467.8ZL 201910080176.5)和美国专利授权(US 11021621US 110208952件。 

图1 光固化3D打印聚酰亚胺微型精密润滑部件

  研究人员在系统探究光固化3D打印成形方式对聚酰亚胺摩擦学性能影响的基础上(摩擦学学报https://doi.org/10.16078/j.tribology.2021115),采用聚四氟乙烯(PTFE)微粉复合,实现了具有优异减摩抗磨性能的3D打印聚酰亚胺自润滑复合材料(图2),并发挥3D打印层层累积成形的优势,实现了“按需润滑”聚酰亚胺自润滑表界面材料和轴承等零部件(图2)的3D打印制造,为复杂结构聚合物自润滑零部件设计与制造提供了材料和技术方案(Tribology International, 2022, 167, 107405)。 

图2  PI/PTFE润滑复合材料摩擦学性能及“按需润滑”功能型轴承 

  UV-DIW 3D打印聚酰亚胺研究的基础上,研究人员实现了具有高储油空间结构的多孔聚酰亚胺自润滑材料3D打印制造(图3),得到了内部孔隙可调节、机械性能和热稳定性良好、含油摩擦系数低至0.08的多孔聚酰亚胺制件。研究结果发表在Tribology International和《摩擦学学报》上(Tribology International, 2021, 160:107009摩擦学学报,https://doi.org/10.16078/j.tribology.2021095),并获2件中国发明专利授权(ZL 202010004572.2ZL 202010304000.6)。 

  图3 多孔聚酰亚胺含油润滑性能及含油润滑器件设计智造

  上述研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、中国科学院“西部之光”交叉创新团队项目、甘肃省科技计划项目和兰州市城关区科技计划项目等的支持。 

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