综述：用于能量存储、转换和绝缘系统的功能性高性能聚合物的增材制造

本文综述了高-performance聚合物（HPPs）在增材制造（AM）中的应用，重点探讨其在能源存储（电池、超级电容器）、氢能生产与存储、油气管网分离膜、辐射屏蔽等领域的创新设计、性能优化及挑战。HPPs如PEEK、PA12等通过AM技术可制造复杂结构，提升热稳定性、机械强度和化学惰性，但面临加工温度高、材料吸湿性及多材料整合等难题，未来需优化材料和工艺以实现工业化应用。

　　
### 中文解读：高性能聚合物增材制造在能源领域的应用进展

#### 一、引言
随着全球能源需求激增，对高效、可靠且适应极端环境（如高温、高压、辐射、化学腐蚀等）的能源相关材料的需求日益迫切。传统制造方法（如注塑成型、机械加工）难以生产复杂几何结构（如多孔电极、分级膜层、电磁屏蔽组件），而增材制造（AM）通过分层堆积的特性，能够直接实现复杂三维结构，并整合多种功能。高密度聚合物（HPPs）因其优异的耐热性、机械强度和化学稳定性，成为AM制造能源器件的理想材料，例如聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）等。

#### 二、增材制造技术分类及适用性
1. **熔融沉积成型（FFF）**
- **优势**：成本低、操作简单，适合加工热塑性HPP（如PA12、PEI），可生产多孔电极、电池壳体等结构。例如，通过FFF制造的三维微孔电极可提升锂电池容量达400%。
- **局限**：易产生各向异性（层间结合强度低）、缩水变形，且高熔粘度材料（如PEK）需特殊高温打印机支持。

2. **选择性激光熔融（L-PBF）**
- **优势**：无支撑结构限制，适合制造高强度多孔材料（如石墨/PA12复合电极）、耐辐射屏蔽层。例如，L-PBF可精确控制BCC结构电极的孔隙率（达49%），提升离子传输效率。
- **局限**：粉末流动性差、表面粗糙，需通过纳米涂层（如碳黑、LaB6）改善激光吸收和层间结合。

3. **直接 ink书写（DIW）**
- **优势**：适用于室温加工，可制造轻质多孔隔热材料（如PI基气凝胶）和梯度功能结构。例如，DIW可制备含硅气凝胶的柔性隔热层，耐温达1300℃。
- **局限**：机械强度较低，需后处理（如热固化）提升性能，且对墨水粘度要求严苛。

#### 三、高性能聚合物在能源领域的应用
1. **电化学储能系统**
- **电池电极**：PA12与石墨复合电极通过L-PBF制造，孔隙率优化至40%-60%，离子扩散速率提升3倍。PEEK与碳纳米管（CNT）复合电极经FFF成型后，电容率达2.55 mF/cm3，循环稳定性超1000次。
- **固态电解质**：PI气凝胶通过DIW成型，结合纳米纤维素（CNC）增强力学性能（压缩模量达13.6 MPa），同时保持低热导率（0.044 W/m·K），适用于电池热管理。

2. **氢能技术**
- **电解槽电极**：PA12经L-PBF成型为蜂窝状结构，表面催化层（铜/镍）通过电沉积集成，使氧析出反应（OER）过电位降低280 mV。
- **储氢材料**：ZIF-67金属有机框架与PA12复合，利用AM的微纳结构调控实现1.53 wt%储氢量，孔隙率超80%。

3. **油气分离与管道**
- **超疏油膜**：PSU膜经L-PBF打印后，表面微孔结构（如“松树鳞片”仿生结构）实现99.1%的油水分离效率，通量达24,000 L/m2·h。
- **耐腐蚀管道**：PEEK通过L-PBF制造为深海液压管，耐腐蚀性比传统金属高3倍，同时重量减轻76%。

4. **辐射屏蔽与电磁兼容**
- **复合屏蔽层**：B4C（硼碳化物）与PEEK复合，利用B4C的硼元素吸收中子，PEEK提供轻质结构，屏蔽效率达不锈钢的1.72倍。
- **梯度导电材料**：MXene/CNT/PI气凝胶通过DIW分层打印，利用梯度导电（表层低导电、底层高导电）实现68.2 dB的电磁波吸收效率。

#### 四、技术挑战与未来方向
1. **材料加工瓶颈**
- **热稳定性不足**：PI等材料需在400℃以上加工，导致打印变形；PEI熔体粘度高达380–630 Pa·s，易堵塞喷嘴。
- **湿度敏感**：PA吸收湿度后强度下降50%，需真空预干燥（如PA12需70–90℃烘干8–12小时）。

2. **工艺优化需求**
- **层间结合**：FFF打印的PA12电极因层间气泡导致电阻升高30倍，需纳米涂层（如CB/PA12）改善界面结合。
- **多材料集成**：PEEK与PEI共熔需解决热膨胀系数差异，通过梯度打印（L-PBF）可实现50μm精度。

3. **规模化与标准化**
- **成本问题**：L-PBF设备单价超百万美元，PA12等原料成本是传统注塑的5倍。
- **认证体系缺失**：AM器件在核能、汽车等领域的合规性认证尚未统一，需建立标准化测试流程（如加速寿命测试、辐射剂量验证）。

#### 五、未来技术路线
1. **材料创新**
- 开发低粘度PEK前驱体（如热塑性PI），适配FFF工艺。
- 探索CO2泡沫化技术，在PA基体中嵌入多孔结构，提升储能密度。

2. **工艺集成**
- 研发“打印-后处理一体化”设备，例如同步进行DIW打印与PI固化（升温至300℃）。
- 开发双喷头FFF系统，集成导电浆料（如CNT/PA12）与绝缘浆料（如SAP/PI），实现功能分区。

3. **跨领域应用**
- **核能设备**：B4C/PI复合材料用于核反应堆冷却管，耐受300℃以上高温及中子辐照。
- **智能电网**：PEI基电磁屏蔽结构嵌入自修复涂层，适应电压波动（±10% DC-AC）。

#### 六、结论
AM技术通过精准控制结构设计与材料集成，解决了传统工艺无法实现的能源器件需求：
- **性能提升**：多孔电极使锂电池能量密度提升3倍，气凝胶隔热层减重80%以上。
- **成本优化**：批量打印复杂膜结构（如油水分离膜）成本降低至传统注塑的1/5。
- **功能融合**：单件集成电极-隔热-结构功能，减少组装环节（如PEEK电解槽组件）。

未来需突破材料加工瓶颈（如开发常温加工PI的预聚物）和规模化生产（如连续纤维增强3D打印），同时建立行业认证标准，推动AM从实验室向工业端落地。