选择性激光烧结（SLS）技术能够通过激光选择性地烧结粉体材料来制造高精度功能制件，在3D打印产业中占有重要地位。球形化颗粒表面能低、颗粒间接触面积小，球形化粉体流动性能优良、松装密度高、气体透过均匀，因此，球形化粉体是SLS 3D打印的关键材料。目前，聚合物基球形粉体的制备方法主要为聚合法和溶液法，制备方法较少、工序复杂、难以规模化，制备的材料品种少、价格高、不具功能性，仅有PA、PS、PC等少数几种高分子球形粉体材料在SLS 3D打印中应用，迫切需要开发制备新方法和新技术，以满足SLS 3D打印高性能、多功能的发展需要。

  针对以上实际需求和科研难题，该研究团队结合固相剪切碾磨技术和等离子体球形化技术，发展了一种新型热塑性高分子球形化粉体的制备方法。先通过自行研制的固相剪切碾磨装置，将热塑性高分子材料在室温下功能化复合和超细粉碎，得到不规则功能性粉体，然后通过惰性气体将粉体输送至自行构建的200-300℃低温等离子体炬中，利用等离子体高焓、高能量密度和高热传导特性使粉体快速加热、熔融、球形化，冷却定型后得功能性高分子球形化粉体。本文制备了PVDF/BaTiO₃聚合物基球形粉体材料，并利用SLS 3D打印制备压电功能器件。该方法是一种高效、清洁、规模化制备聚合物基球形粉体的新技术，具有较高的研究价值和应用前景。

图1. PVDF/BaTiO₃球形粉体的制备及SLS加工示意图。

  阐述了聚合物粉体球形化机理：在惰性气体的带动下，碾磨粉体快速通过等离子体炬的外焰部分，迅速完成传热过程并完全熔融，液态聚合物熔滴在表面张力作用下发生形态变化，逐渐转变为球状，后经快速冷却、定型，制得聚合物基球形粉体。

图2.粉体在等离子体装置中的(a)运动轨迹图和(b)流函数分布图；(c)-(f)粉体在等离子体装置中受热过程的有限元模拟结果（红色箭头为传热方向）；(g)-(j)PVDF分子链运动状态的有限元模拟结果；(k)聚合物熔滴的表面张力机理图；(l)PVDF/BaTiO₃复合粉体的形状变化过程示意图。

  对球形化前后复合粉体的结构和物化性能进行了表征：颗粒形态研究结果表明，球形粉体的球形度（球形度平均值由0.87提升至0.93）、流动性（球形粉体无约束屈服强度仅为0.694kPa，约为碾磨粉体的20%）大幅度提高，粒径分布变窄，粉体堆积密度大幅度提高；物理、化学性能测试结果表明，复合粉体在球形化前后的初始分解温度、熔融温度和结晶温度变化不大，元素组成保持恒定，无新的化学基团形成，该球形化技术是一种基于物理变化的连续化生产过程，未涉及化学反应，球形化前后复合粉体物化性质保持不变。

图3.(a)S³M粉体和(a1)球形化粉体的SEM图像（插图图像为高分辨倍率）；球形化粉体的EDS-mapping图像：(b) F元素和(c)Ba元素；S³M粉体和球形化粉体的(d)圆形度-圆角度对应关系图和(e)粉体剪切性能测试曲线。

  对碾磨粉体和球形化粉体分别进行SLS加工，对SLS 制件的力学性能和综合性能进行分析。由于球形粉体的接触面积、机械互锁作用和摩擦力均较小，粉体堆积更为密实，粘结效果更优，所制备的SLS制件结构缺陷少、致密度高。此外，由球形粉体制备的SLS制件拉伸强度和断裂伸长率分别提高了120.0% 和23.4%，开路电压和短路电流分别为4.7V（提高了46.9%）和106.5nA（提高了82.4%），在传感和储能等领域方面具有良好的应用前景。

图4.(a)S³M粉体和球形化粉体在SLS加工中堆积情况示意图；(b)SLS制件的拉伸强度和断裂伸长率；(c)-(d)SLS制件的压电性能曲线及压电响应机理图；SLS制件的(e)开路电压和(f)短路电流。

  以上工作近期发表在《Chemical Engineering Journal》 (IF=10.652，2021.129035上，题为Production of Spherical Polymeric Composite Powder for Selective Laser Sintering via Plasma Assisted Solid State Shear Milling: From Theory to Piezoelectric Application。论文的第一作者为四川大学高分子材料工程国家重点实验室/高分子研究所博士生宋世平，通讯作者为四川大学白时兵副研究员和李怡俊博士后。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129035