含纳米颗粒的粘结剂与多孔结构相互作用的机理研究及3DP过程优化

The 3D inkjet printing (3DP) belongs to additive manufacturing techniques with the advantages of rapid prototyping and precise processing control, which can use one or more mixed powders with specific properties as the consumption materials, such as ceramic, metal, polymer, etc.. It can be applied to build fine structures of multifunctional components, and is widely used in the manufacturing fields, such as the functional components, the bone substitute materials, and MEMS. In order to obtain the required design accuracy, integrity and performance of the parts, the binder is improved by mixing special nanoparticles. Hence, it is necessary to understand quantitatively the interaction mechanisms between the nanoparticles and the binder-powder system, and to further optimize the inkjet printing process. One of the tasks of the current research is to develop mathematical models based on multi-physical modeling framework, including transport phenomena of the nanoparticle-binder-powder system, interaction mechanisms of the complex porous structure and the ink droplet containing nanoparticles. In practice, the purpose of the project is to develop the techniques for optimization of the nanoparticle-binder-powder system and of the printing parameters. The ultimate goal is to establish a database that links the main printing parameters to the behavior and properties of the nanoparticles in the binder.

3D喷墨打印技术（3DP）属于一种增材制造方法，具备快速原型设计和精密过程控制等优点，打印耗料可以灵活选用陶瓷、金属、高分子聚合物等具有特定性质的一种或多种混合的粉末，制造具有精细结构的多功能零部件，因此被广泛用于功能部件、骨替代材料、微机电系统等制造领域。为了获得要求的零件设计精度、完整性和性能，一种新思路是在粘结剂中添加特定的纳米颗粒进行改良，因而需要对纳米颗粒如何影响粘结剂-粉末系统的相互作用有一个定量的理解。本项目在理论上基于多物理场耦合的建模框架，发展针对纳米颗粒-粘结剂-粉末系统输运现象的研究模型，预测和分析含有纳米颗粒的液滴与复杂多孔结构之间相互作用的机理。基于理论分析，进一步在实验上提出优化纳米颗粒-粘结剂-粉末系统配制和打印参数的方法。最终目标是建立一个把主要打印参数和粘结剂中纳米颗粒的行为联系起来的数据库，指导喷墨打印过程中参数的优化选择。

3D喷墨打印技术可以灵活选用陶瓷、金属、高分子聚合物等具有特定性质的一种或多种混合的粉末，制造具有精细结构的多功能零部件，在航空航天、柔性电子等领域有巨大的应用潜力。为了获得要求的零件设计精度、完整性和性能，一种新思路是在粘结剂中添加特定的纳米颗粒进行改良，因而需要对纳米颗粒如何影响粘结剂-粉末系统的相互作用有一个定量的理解。在理论上，本项目基于多物理场耦合的建模框架，发展了针对纳米颗粒-粘结剂-粉末系统输运现象的研究模型，预测和分析了含有纳米颗粒的液滴与复杂多孔结构的相互作用过程，揭示了纳米颗粒在其中扩散、吸附、沉积和聚合等行为的机理。在应用上，提出了优化纳米颗粒-粘结剂-粉末系统配制和打印参数的理论和方法，建立了一个把主要打印参数和粘结剂中纳米颗粒的行为和性质联系起来的数据库（工作相图形式展示）。共发表第一标注SCI论文8篇，EI论文1篇，第二标注SCI论文6篇。授权发明专利3项、申请1项。软著许可1项。完成45万字专著《喷墨打印过程的流体力学分析》初稿，已通过科学出版社申报2023年度国家科学技术学术著作出版基金（申报号：2023-80701-0006）。已顺利培养2名博士研究生、6名硕士研究生。在理论研究方面进行的原创性工作，在国内外研究领域产生了一定的影响力，被马普中心的著名流体力学家Detlef Lohse教授（第二届Batchelor奖获得者）、美国伊利诺伊大学的著名流体力学家Alexander L. Yarin教授（APS Fellow, Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics主编）等引用，给予了较高的评价。在应用研究方面，完成了一项授权发明专利的成果转化，促进了喷墨均匀性和精度的提升。