一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及金属打印领域，具体提供了一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法。该方法步骤包括：(1)取石墨烯粉、石墨粉、PVA(聚乙烯醇)和溶剂真空球磨，制备石墨烯分散液；(2)取石墨烯分散液和铝基粉材真空球磨后，干燥、过滤，制备石墨烯改性铝基粉材；(3)取石墨烯改性粉材，采用3D打印方法制备石墨烯增强铝基复合材料。采用本发明专利技术的金属3D打印方法，可避免传统的压力铸造带来的石墨烯易团聚、分散不均匀，以及粉末冶金在长时间的烧结过程中会导致Al4C3等脆性物生成等问题，有效缩短石墨烯增强铝基材料的研发和生产周期，具有较高的应用价值。有较高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法


[0001]本专利技术属于金属3D打印领域，具体涉及一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法。

技术介绍

[0002]铝基材料具有密度轻、弹性好、比刚度和比强度高、抗冲击性好、导电导热性好，良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列优良特性，被认为是“朝阳材料”，现已被广泛用于交通运输、航空航天、矿物加工等领域。但铝基材料同时还存在硬度低、耐磨性差等问题，这些问题很大程度地限制了铝基材料的应用，并且成为铝基材料领域研究发展的瓶颈问题。
[0003]石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有非常好的热传导性能，单层石墨烯导热系数可达5300W/mK，同时具有很好的导电性，石墨烯的力学性能也非常好，强度高且韧性好，是金属基复合材料理想的增强体之一。
[0004]故，为解决上述铝基材料现存的问题，通常采取的技术手段为在铝基材料中添加石墨烯，形成石墨烯增强铝基复合材料，采用这种方法所得到的石墨烯增强铝基复合材料具备较高的硬度、较低的密度、较高的强度和较好的耐磨性，以及好的耐高温性能和好的耐磨性等一系列优良性能。
[0005]传统的石墨烯增强铝基复合材料制备方法通常有压力铸造和粉末冶金，压力铸造是一种将液态或半固态金属或合金，或含有增强物相的液态金属或合金，在高压下以较高的速度填充入压铸型的型腔内，并使金属或合金在压力下凝固形成铸件的铸造方法；粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术；这些技术手段多采用外加法，且工艺复杂，成本高。且存在如下问题如：这类加工方法的压力较大，会导致制备过程中石墨烯易发生粗化、团聚，使其在铝基中难以分散均匀造成材料内部存在缺陷，材料的力学性能差；另外采用外加法制备铝基复合材料，在加工过程中温度较高，会生成Al4C3脆性物影响性能等等。
[0006]金属3D打印技术又称增材制作技术，是一种新兴的制作技术，该技术通过计算机程序将设计的三维模型分层切片形成相应的数据流并传输到3D打印装置，3D打印装置在该数据流的控制下将打印耗材层层堆积，最终得到与模型形状完全相同的产品。与传统的加工方式相比，金属3D打印技术具有快速灵活、节约材料，在加工形状复杂、小批量零件方面的优势十分明显。随着金属3D打印技术的发展，将其广泛运用在材料结构设计中已经成为国内外研究的一种趋势。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法及
其复合材料，此制备方法可避免现有压力铸造法中易混入气体和夹杂物，外加出现石墨烯易团聚、分散不均匀及现有粉末冶金法工艺流程长、工序复杂、成本高和温度较高导致脆性相生成的问题。采用本专利技术的金属3D打印技术可以缩短石墨烯增强铝基复合材料的研发和生产周期，解决上述传统加工方法存在的不足，实现更有效地提高石墨烯增强铝基复合材料的综合性能。
[0008]为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤:
[0010](1)配制石墨烯分散液：取石墨烯粉、石墨粉、PVA(聚乙烯醇)和溶剂放入清洗干净的球磨机中，抽真空后进行球磨，得到球磨产物石墨烯分散液；其中，各物料重量份数为：3
‑
5份石墨烯粉，10
‑
15份石墨粉，0.3
‑
0.5份PVA(聚乙烯醇)，余量为溶剂；磨球与物料的质量比为(3
‑
5)：1，球磨时间为30
‑
60min，球磨转速为200
‑
1500rpm；
[0011](2)配备石墨烯改性铝基粉材：按重量份数配比，取1份石墨烯分散液和1份铝基粉材放入清洗干净的球磨机，抽真空后进行球磨，得到球磨产物，将球磨产物取出，干燥，随后过滤，得到石墨烯改性铝基粉材；其中，磨球和物料的质量比为(10
‑
15)：1，球磨时间为4
‑
6h，球磨转速为200
‑
1500rpm；
[0012](3)金属3D打印：将步骤(2)得到的石墨烯改性铝基粉材加入到3D打印机的供粉缸作为原料，使用三维软件对所需打印的复合材料建模后，导入到计算机控制系统采用3D打印方法制得石墨烯增强铝基复合材料；其中，3D打印方法的工艺参数为：打印层厚度设置为30μm，高纯氩气作为打印仓保护气体，打印仓氧含量＜500ppm，打印仓循环风速为1m/s，扫描间距为0.12
‑
0.15mm，激光功率为200
‑
300W，激光速度为1250
‑
1500mm/s。
[0013]进一步的，所述步骤(1)中，所述石墨烯粉采用3
‑
10层石墨烯粉。
[0014]进一步的，所述步骤(1)中，所述石墨粉采用规格为3000目，纯度为99.99％的石墨粉。
[0015]进一步的，所述步骤(1)中，所述溶剂为丙酮。
[0016]进一步的，所述步骤(1)中，真空度为0.1
×
10
‑2Pa
‑
1.0
×
10
‑2Pa；所述步骤(2)中，真空度为0.1
×
10
‑2Pa
‑
1.0
×
10
‑2Pa。
[0017]进一步的，所述步骤(1)中，球磨球为玛瑙球；所述步骤(2)中，球磨球为氧化锆球。
[0018]进一步的，所述步骤(2)中，所述铝基粉材为高纯度金属铝粉，纯度为99.9％，粒径为15
‑
53μm。
[0019]进一步的，所述步骤(2)中，所述过滤为筛网过滤，筛网目数为120目。
[0020]一种石墨烯增强铝基复合材料，采用上述制备方法制得。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0022](1)本专利技术提供的金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，首先配制石墨烯分散液，随后将石墨烯分散液与铝基粉材球磨制备石墨烯改性铝基粉材，最后采用3D打印技术将石墨烯改性铝基粉材直接打印成石墨烯增强铝基复合材料，相比于传统的加工方法诸如压力铸造法和粉末冶金法，无需高温高压，能使得石墨烯更好的在铝基表面分散均匀，不易团聚，同时避免长时间烧结过程中温度升高后导致Al4C3等脆性物生成等问题，有效缩短石墨烯增强铝基材料的研发和生产周期，具有较高的应用价值。
[0023](2)本专利技术提供的石墨烯增强铝基复合材料组分合理，通过在石墨烯的基础上加
入石墨粉，有效构建复合材料的定向三维结构，使得不同层间的界面热阻更小，同时加入PVA，还能改善石墨烯与有机溶剂的相容性，进一步促进石墨烯的均匀分散，更有利提高复合材料的导热性能。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)配制石墨烯分散液：取石墨烯粉、石墨粉、PVA(聚乙烯醇)和溶剂放入清洗干净的球磨机中，抽真空后进行球磨，得到球磨产物石墨烯分散液；其中，各物料重量份数为：3
‑
5份石墨烯粉，10
‑
15份石墨粉，0.3
‑
0.5份PVA(聚乙烯醇)，余量为溶剂；磨球与物料的质量比为(3
‑
5)：1，球磨时间为30
‑
60min，球磨转速为200
‑
1500rpm；(2)配备石墨烯改性铝基粉材：按重量份数配比，取1份石墨烯分散液和1份铝基粉材放入清洗干净的球磨机，抽真空后进行球磨，得到球磨产物，将球磨产物取出，干燥，随后过滤，得到石墨烯含量1％
‑
5％的石墨烯改性铝基粉材；其中，磨球和物料的质量比为(10
‑
15)：1，球磨时间为4
‑
6h，球磨转速为200
‑
1500rpm；(3)金属3D打印：将步骤(2)得到的石墨烯改性铝基粉材加入到3D打印机的供粉缸作为原料，使用三维软件对所需打印的复合材料建模后，导入到计算机控制系统采用3D打印方法制得石墨烯增强铝基复合材料；其中，3D打印方法的工艺参数为：打印层厚度设置为30μm，高纯氩气作为打印仓保护气体，打印仓氧含量＜500ppm，打印仓循环风速为1m/s，扫描间距为0.12
‑
0.15mm，激光功率为200
‑
300W，扫描速度为1250
‑
15...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丙云，吴杰华，邱海平，陈思敏，
申请(专利权)人：深圳市金石三维打印科技有限公司，
类型：发明
国别省市：