18、3D打印部件的物理化学特性及结晶度影响解析

3D打印部件的物理化学特性及结晶度影响解析

1. 热性能

1.1 玻璃态与橡胶态转变

聚合物的温度对其应力响应影响显著。在聚合物的非晶区，低温下分子处于“冻结”状态，只能轻微振动，此时聚合物呈脆性、坚硬且刚性，类似玻璃，称为玻璃态。当加热聚合物时，分子获得大量动能，链段可相互摆动，聚合物变得柔软且有弹性，类似橡胶，此为橡胶态。玻璃态转变为橡胶态的温度称为玻璃化转变温度（Tg），且该转变仅发生在非晶区，半结晶聚合物的结晶区不受影响。

1.2 结晶度

聚合物分子链主要有结晶和非晶两种形式。结晶链折叠形成规则的片层结构，非晶链则排列不规则。片层嵌入非晶部分，并通过连接分子与其他片层相连。聚合物的结晶度计算公式为：
[
\text{结晶度} = \frac{\rho_c(\rho_s - \rho_a)}{\rho_s(\rho_c - \rho_a)} \times 100\%
]
其中，$\rho_c$ 为完全结晶聚合物的密度，$\rho_a$ 为完全非晶聚合物的密度，$\rho_s$ 为样品密度。

简单结构链（如线性链）且冷却速率慢的聚合物结晶度较好。高结晶度聚合物刚性强、熔点高，但抗冲击性低；非晶聚合物则较软、熔点低。溶剂更容易渗透非晶部分。

1.3 热膨胀

热膨胀指材料随温度升高占据更多空间的现象，原因是温度升高使原子动能增加，振动距离变长。可通过热机械分析测量聚合物的热膨胀。在熔融沉积成型（FFF）中，热膨胀对理解3D打印部件的公差很重要。长丝热膨胀过大可能导致直径增加，影响3D打印加工；挤出物收缩则会使长丝变脆，不适合打印。