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  選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)能夠通過激光選擇性地?zé)Y(jié)粉體材料來制造高精度功能制件，在3D打印產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。球形化顆粒表面能低、顆粒間接觸面積小，球形化粉體流動性能優(yōu)良、松裝密度高、氣體透過均勻，因此，球形化粉體是SLS 3D打印的關(guān)鍵材料。目前，聚合物基球形粉體的制備方法主要為聚合法和溶液法，制備方法較少、工序復(fù)雜、難以規(guī)模化，制備的材料品種少、價格高、不具功能性，僅有PA、PS、PC等少數(shù)幾種高分子球形粉體材料在SLS 3D打印中應(yīng)用，迫切需要開發(fā)制備新方法和新技術(shù)，以滿足SLS 3D打印高性能、多功能的發(fā)展需要。

  針對以上實際需求和科研難題，該研究團隊結(jié)合固相剪切碾磨技術(shù)和等離子體球形化技術(shù)，發(fā)展了一種新型熱塑性高分子球形化粉體的制備方法。先通過自行研制的固相剪切碾磨裝置，將熱塑性高分子材料在室溫下功能化復(fù)合和超細粉碎，得到不規(guī)則功能性粉體，然后通過惰性氣體將粉體輸送至自行構(gòu)建的200-300℃低溫等離子體炬中，利用等離子體高焓、高能量密度和高熱傳導(dǎo)特性使粉體快速加熱、熔融、球形化，冷卻定型后得功能性高分子球形化粉體。本文制備了PVDF/BaTiO₃聚合物基球形粉體材料，并利用SLS 3D打印制備壓電功能器件。該方法是一種高效、清潔、規(guī)�；苽渚酆衔锘蛐畏垠w的新技術(shù)，具有較高的研究價值和應(yīng)用前景。

圖1. PVDF/BaTiO₃球形粉體的制備及SLS加工示意圖。

  闡述了聚合物粉體球形化機理：在惰性氣體的帶動下，碾磨粉體快速通過等離子體炬的外焰部分，迅速完成傳熱過程并完全熔融，液態(tài)聚合物熔滴在表面張力作用下發(fā)生形態(tài)變化，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙�，后�?jīng)快速冷卻、定型，制得聚合物基球形粉體。

圖2.粉體在等離子體裝置中的(a)運動軌跡圖和(b)流函數(shù)分布圖；(c)-(f)粉體在等離子體裝置中受熱過程的有限元模擬結(jié)果（紅色箭頭為傳熱方向）；(g)-(j)PVDF分子鏈運動狀態(tài)的有限元模擬結(jié)果；(k)聚合物熔滴的表面張力機理圖；(l)PVDF/BaTiO₃復(fù)合粉體的形狀變化過程示意圖。

  對球形化前后復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)和物化性能進行了表征：顆粒形態(tài)研究結(jié)果表明，球形粉體的球形度（球形度平均值由0.87提升至0.93）、流動性（球形粉體無約束屈服強度僅為0.694kPa，約為碾磨粉體的20%）大幅度提高，粒徑分布變窄，粉體堆積密度大幅度提高；物理、化學(xué)性能測試結(jié)果表明，復(fù)合粉體在球形化前后的初始分解溫度、熔融溫度和結(jié)晶溫度變化不大，元素組成保持恒定，無新的化學(xué)基團形成，該球形化技術(shù)是一種基于物理變化的連續(xù)化生產(chǎn)過程，未涉及化學(xué)反應(yīng)，球形化前后復(fù)合粉體物化性質(zhì)保持不變。

圖3.(a)S³M粉體和(a1)球形化粉體的SEM圖像（插圖圖像為高分辨倍率）；球形化粉體的EDS-mapping圖像：(b) F元素和(c)Ba元素；S³M粉體和球形化粉體的(d)圓形度-圓角度對應(yīng)關(guān)系圖和(e)粉體剪切性能測試曲線。

  對碾磨粉體和球形化粉體分別進行SLS加工，對SLS 制件的力學(xué)性能和綜合性能進行分析。由于球形粉體的接觸面積、機械互鎖作用和摩擦力均較小，粉體堆積更為密實，粘結(jié)效果更優(yōu)，所制備的SLS制件結(jié)構(gòu)缺陷少、致密度高。此外，由球形粉體制備的SLS制件拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了120.0% 和23.4%，開路電壓和短路電流分別為4.7V（提高了46.9%）和106.5nA（提高了82.4%），在傳感和儲能等領(lǐng)域方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖4.(a)S³M粉體和球形化粉體在SLS加工中堆積情況示意圖；(b)SLS制件的拉伸強度和斷裂伸長率；(c)-(d)SLS制件的壓電性能曲線及壓電響應(yīng)機理圖；SLS制件的(e)開路電壓和(f)短路電流。

  以上工作近期發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》 (IF=10.652，2021.129035上，題為Production of Spherical Polymeric Composite Powder for Selective Laser Sintering via Plasma Assisted Solid State Shear Milling: From Theory to Piezoelectric Application。論文的第一作者為四川大學(xué)高分子材料工程國家重點實驗室/高分子研究所博士生宋世平，通訊作者為四川大學(xué)白時兵副研究員和李怡俊博士后。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129035