CuO/Al復合油墨的模量與剪切應力變化關系圖和復合油墨臨界應力值。從圖中我們可以看出,設計的五個復合油墨配方在一定的剪切應力下都能夠獲得穩(wěn)定的模量差值(儲能模量 - 損耗模量,即儲能模量大于損耗模量),表明在這樣的剪切應力范圍內,當復合油墨擠出之后不會發(fā)生流動,改變其擠出的形狀狀態(tài)。
相比所測試的五種油墨配方,當粘結劑含量為15 wt%的時候,在100~102 Pa的剪切應力范圍內油墨的儲能模量大于損耗模量,并且儲能模量和損耗模量的曲線沒有出現(xiàn)特別明顯的波動;而當粘結劑含量分別為10 wt%、20 wt%、25 wt%的時候,在100~101Pa的剪切應力范圍內,復合油墨的損耗模量發(fā)生了明顯的波動,有些時候大于其儲能模量。值得注意的是,當粘結劑含量為25 wt%的時候,在100~101 Pa的剪切應力范圍內,其儲能模量和損耗模量都發(fā)生了明顯波動,嚴重影響復合油墨的成型性能。
另外,除了粘結劑含量為5 wt%的復合油墨,其他的復合油墨隨著剪切應力的增加,其臨界應力從160 Pa增加到了~600 Pa,表明粘結劑的含量對復合油墨成型的可剪切應力范圍產(chǎn)生了一定影響。主要是在剪切過程中,粘結劑含量越多,粘結劑分子之間的膠粘作用就越明顯,就需要更大的剪切力才能使其流動。至于粘結劑含量為5 wt%的復合油墨在100~2×102 Pa的剪切應力范圍內沒有出現(xiàn)應力屈服點或者儲能模量降低趨勢的情況,主要是粘結劑含量太少導致粘度太小沒能使整個體系黏附在一起。

為了驗證PTFE與Al的質量比對PTFE/Al復合材料三維結構以及梯度結構成型的影響,測試了PTFE/Al復合油墨的儲能模量和損耗模量。與CuO/Al復合油墨相似,在一定的剪切應力范圍內不同質量比的PTFE/Al復合油墨都展現(xiàn)出了良好的成型性能(儲能模量>損耗模量);但不一樣的是,PTFE/Al復合油墨比CuO/Al復合油墨更容易獲得穩(wěn)定成型的剪切應力。
伴隨著應力屈服點的出現(xiàn),剪切應力范圍也在向前移動,大約從101 Pa前移到~100 Pa,為3D打印提供低剪切應力。從另一個方面也說明了聲共振技術在PTFE/Al復合材料制備過程中的高效性和可靠性。相反地,隨著PTFE/Al復合油墨中Al含量的增加,用來進行3D打印的墨水的屈服應力值越來越大,這表明Al顆粒的加入將墨水可打印的應力范圍從130 Pa提升到1500 Pa,甚至更高,從而讓墨水能夠適用于更快的打印速度和更高的擠出壓力。
相比于CuO/Al復合油墨,PTFE/Al復合油墨隨著組分比例的改變,屈服應力逐漸減小,主要是由于使用的PTFE為微米顆粒,而Al為納米顆粒,兩種尺寸的粒子在質量比例從50:50變化大70:30的過程中越來越接近最優(yōu)的粒度級配選擇,從而使復合油墨達到最佳的流動性,因此才出現(xiàn)隨著剪切應力增大,屈服應力減小的現(xiàn)象。
使用基于三軸打印系統(tǒng)的Nordson點膠機器人(JR - V2200)三維平臺進行復合材料的3D打印。影響復合油墨成型的主要因素有三個,第一是復合油墨自身的粘度、模量等流變特性,在前面已經(jīng)進行了相關測試,第二是打印過程中針頭的移動速度,第三是打印過程中的擠出壓力。
根據(jù)流變特性測試我們可以知道粘結劑含量改變和組分含量改變對復合油墨的初始粘度有一定的影響,所以在控制針頭移動速度和擠出壓力時,不同的配方之間有差異,但是最終的目的是要保證打印出來的線條直徑與針頭規(guī)格相匹配。
將制備的復合油墨裝載到20 mL的點膠針筒內,一般情況下在油墨內部會存在大量的氣泡,可以通過軟管將復合油墨在兩個點膠針筒之間進行來回轉移,借助轉移過程中的壓力來消除復合油墨內部的氣泡,保證打印過程中復合油墨線條不斷裂。
根據(jù)復合油墨的流變特性設置合適的擠出壓力和移動速度,使用石英玻璃作為三維結構的載體,為了防止三維結構黏附在石英玻璃基板上,打印之前的在玻璃表面涂抹一層脫模劑,利于三維結構的卸載。
復合油墨從針頭擠出的瞬間由于束縛力消失,剛打印的線條會發(fā)生膨脹(即線條直徑大于針頭直徑),一段時間后由于溶劑揮發(fā)的原因,粘結劑收縮導致直徑恢復,所以在設置打印高度的時候,針頭與基板制安的距離應略大于針頭直徑,防止針頭破壞線條的完整性。
結合與之相關聯(lián)的程序編輯系統(tǒng),成功構建出了CuO/Al、PTFE/Al復合材料的多種結構,包括變直徑線條、立方體、圓柱、蜂窩狀三維結構等。