熔融沉積成型(Fused deposition modeling，F(xiàn)DM)作為一種新型的聚合物加工方式，不僅通過逐層堆積突破了結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，還耦合了剪切場、拉伸場和溫度場調(diào)控聚合物材料尤其是結(jié)晶性聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，具備實現(xiàn)聚合物制品復(fù)雜化、高性能化、功能化的潛力，是聚合物加工的未來。然而，現(xiàn)階段FDM技術(shù)仍以模型制造為主，這是因為層層堆積的加工方式在賦予FDM技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度的同時，也為其帶來瓶頸問題：(1) 商業(yè)化FDM耗材仍以無定形聚合物丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和結(jié)晶速率較慢的聚乳酸(PLA)為主，其種類遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)加工所用的材料，限制了FDM成型件的應(yīng)用范圍；(2) 與傳統(tǒng)注塑件相比，F(xiàn)DM成型件的致密度低，層間結(jié)合界面薄弱，導(dǎo)致其宏觀性能(包括拉伸性能、沖擊性能、壓縮性能以及熱學(xué)性能等)呈各向異性，難以滿足承重零部件的載荷需求；(3) FDM加工中較大的溫度梯度導(dǎo)致殘余內(nèi)應(yīng)力聚集，易引起FDM成型件(尤其是大型結(jié)構(gòu)件)收縮、翹曲。對于結(jié)晶性聚合物而言，由結(jié)晶引起的較大體積收縮進(jìn)一步加劇收縮翹曲，影響FDM成型件的尺寸精度甚至導(dǎo)致打印過程終止，是目前限制大部分結(jié)晶性聚合物材料應(yīng)用于FDM技術(shù)的主要原因。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所蘇允蘭副研究員和中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的高霞助理研究員在此綜述中從制約FDM技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸問題入手，介紹了近年來有關(guān)FDM加工的結(jié)晶性聚合物材料、結(jié)構(gòu)、性能等方面的發(fā)展。
文章首先結(jié)合FDM加工原理分析總結(jié)了可FDM加工的聚合物材料特性，包括喂料性能和成型性能。之后對結(jié)晶性聚合物的FDM成型件的多層次聚集態(tài)結(jié)構(gòu)展開論述，闡述了絲材本體結(jié)晶行為和層間結(jié)合界面在FDM成型中的微觀結(jié)構(gòu)演變。文章還對FDM成型件的宏觀力學(xué)性能及其各向異性進(jìn)行了討論，初步構(gòu)建了FDM成型件的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。FDM加工具有較高的剪切場和復(fù)雜的溫度場，通過調(diào)控噴嘴溫度、基板溫度和擠出速率等加工參數(shù)即可獲得特定晶體結(jié)構(gòu)與形貌。但FDM加工中快速的溫度變化導(dǎo)致分子鏈無法在相鄰薄層間充分?jǐn)U散、纏結(jié)，為FDM成型件引入薄弱的層間結(jié)合界面和大量的絲材堆積空隙，是目前FDM成型件比傳統(tǒng)注塑件力學(xué)性能差且各向異性的根本原因。尤其在結(jié)晶性聚合物中，層間結(jié)合與結(jié)晶過程同時發(fā)生、相互影響，最終所形成的界面處分子鏈擴(kuò)散長度和晶體密度決定著結(jié)合界面強(qiáng)度和FDM成型件的各向異性。文章最后還對結(jié)晶性聚合物材料的FDM加工所面臨的任務(wù)和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。性能優(yōu)異的聚合物基復(fù)合材料的制備與開發(fā)既可以拓寬材料種類，又可以提高FDM成型件的力學(xué)性能和功能性，是今后突破FDM技術(shù)瓶頸的重要方向。
上述工作以題為“熔融沉積成型加工的結(jié)晶性聚合物結(jié)構(gòu)與性能”的綜述形式發(fā)表在《高分子學(xué)報》2020年第11期，通訊作者高霞助理研究員和蘇允蘭副研究員(2020, 51(11): 1214-1226，doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20154)。該課題得到了國家自然科學(xué)基金(基金號51603205)和2019年度中國科學(xué)院化學(xué)研究所創(chuàng)新培育資助項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20154
