挤出式增材制造中PSU与PPSU高性能聚合物的应变率敏感性研究及其力学性能评估

推荐：本研究针对高性能聚合物(PSU/PPSU)在挤出式增材制造(MEX AM)中的应变率敏感性空白，通过多速率拉伸测试(10-300 mm/min)结合热分析(TGA/DSC)和显微表征(SEM)，首次揭示两种材料在动态载荷下的强度、模量及韧性变化规律，为高应变率应用场景的3D打印材料选择提供科学依据。

　　

高性能聚合物在极端工况下的力学行为研究一直是材料科学领域的重点课题。随着挤出式增材制造(Material Extrusion, MEX)技术在航空航天、医疗器械等高端领域的应用拓展，材料在动态载荷下的性能表现成为制约其工程化应用的关键瓶颈。聚砜(Polysulfone, PSU)和聚苯砜(Polyphenylsulfone, PPSU)作为典型的高性能聚合物(High-Performance Polymers, HPPs)，虽具有优异的耐热性和化学稳定性，但其在增材制造结构下的应变率敏感特性尚未系统研究。

针对这一科学问题，希腊克里特理工大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。研究通过自主制备PSU/PPSU丝材，采用九级变速拉伸测试(10-300 mm/min)结合热分析(TGA/DSC)和显微表征技术，首次揭示了MEX成型件在动态载荷下的力学响应规律。研究发现PPSU在100 mm/min应变率下达到强度峰值(70 MPa)，而PSU在75 mm/min即出现35%的强度衰减，SEM断层分析证实高应变率(>200 mm/min)会诱发脆性断裂特征。

关键技术方法包括：(1)采用桌面挤出机制备直径1.75 mm的标准化丝材；(2)基于ASTM D638-02a标准3D打印V型拉伸试样；(3)九级变速拉伸测试(10-300 mm/min)结合应变率公式ε?=L?/(L₀·60)计算；(4)热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)表征热稳定性；(5)扫描电镜(SEM)和体视显微镜分析断口形貌。

研究结果部分：

1. 热性能分析：TGA显示PPSU初始分解温度(IDT@95%)达545.7°C，较PSU(511.2°C)更高；DSC测得PPSU玻璃化转变温度(T_g)为221.5°C，显著高于PSU的190.5°C。

2. 力学性能响应：PSU在75 mm/min时达到强度峰值(68 MPa)，300 mm/min时骤降35%；PPSU强度在100 mm/min达最大值后仅衰减16%。Young's模量变化显示PPSU在200 mm/min时仍保持30%增幅。

3. 形态学特征：SEM显示层间结合良好，但高应变率(300 mm/min)下两种材料均呈现明显脆性断裂，PPSU断口存在更多塑性变形痕迹。

4. 敏感性指数：PPSU最大应变率敏感性指数m=0.125 s^-1，显著高于PSU的0.042 s^-1，表明其更强的应变硬化能力。

结论部分强调，PPSU因其分子链中的甲基(-CH₃)赋予更高链段柔性和能量耗散能力，在高速载荷下表现出更优的性能保持率。该研究不仅填补了HPPs在MEX工艺中动态性能数据的空白，更为航天紧固件、汽车防撞结构等需承受冲击载荷的3D打印部件选材提供了定量依据。值得注意的是，3D打印固有的层间弱化效应会放大应变率敏感性，这为后续通过工艺优化(如激光辅助层间融合)改善动态性能指明了方向。