選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)能夠通過(guò)激光選擇性地?zé)Y(jié)粉體材料來(lái)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(dòng)性能優(yōu)良、松裝密度高、氣體透過(guò)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)；，制備的材料品種少、價(jià)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(kāi)發(fā)制備新方法和新技術(shù)，以滿(mǎn)足SLS 3D打印高性能、多功能的發(fā)展需要。
針對(duì)以上實(shí)際需求和科研難題，該研究團(tuán)隊(duì)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(guò)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(xì)粉碎，得到不規(guī)則功能性粉體，然后通過(guò)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?jī)r(jià)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(jī)理：在惰性氣體的帶動(dòng)下，碾磨粉體快速通過(guò)等離子體炬的外焰部分，迅速完成傳熱過(guò)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(yùn)動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有限元模擬結(jié)果；(k)聚合物熔滴的表面張力機(jī)理圖；(l)PVDF/BaTiO3復(fù)合粉體的形狀變化過(guò)程示意圖。
對(duì)球形化前后復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)和物化性能進(jìn)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(dòng)性（球形粉體無(wú)約束屈服強(qiáng)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(cè)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(wú)新的化學(xué)基團(tuán)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(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系圖和(e)粉體剪切性能測(cè)試曲線(xiàn)。
對(duì)碾磨粉體和球形化粉體分別進(jìn)行SLS加工，對(duì)SLS 制件的力學(xué)性能和綜合性能進(jìn)行分析。由于球形粉體的接觸面積、機(jī)械互鎖作用和摩擦力均較小，粉體堆積更為密實(shí)，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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了120.0% 和23.4%，開(kāi)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(chǔ)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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率；(c)-(d)SLS制件的壓電性能曲線(xiàn)及壓電響應(yīng)機(jī)理圖；SLS制件的(e)開(kāi)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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
- 四川大學(xué)夏和生教授團(tuán)隊(duì)：動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物選擇性激光燒結(jié)3D打印 2020-04-17
- 浙江大學(xué)吳晶軍、方子正團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：3D打印超強(qiáng)韌可修復(fù)彈性體 2025-07-07
- 南理工/國(guó)科大杭高院王杰平、南理工易文斌等 Nat. Commun.：可消除光固化3D打印層紋的聚二硫代氨基甲酸酯研究 2025-07-03
- 昆士蘭大學(xué)喬瑞瑞團(tuán)隊(duì) Adv. Mater. 綜述：納米復(fù)合材料的創(chuàng)新制備與應(yīng)用 - 從傳統(tǒng)合成到先進(jìn)3D打印技術(shù) 2025-06-25
- 杭州師大李勇進(jìn)教授實(shí)現(xiàn)超高填充熱塑性高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料及其管材的生產(chǎn)與工業(yè)應(yīng)用 2020-08-15
- 清華大學(xué)化工系郭寶華教授招聘博士后 2019-12-28
- 新加坡南洋理工周琨教授團(tuán)隊(duì)：激光選區(qū)燒結(jié)三維打印技術(shù)制備金屬–有機(jī)骨架–熱塑性高分子復(fù)合薄膜及其水處理應(yīng)用研究 2019-10-26
