一种基于静电自组装的活性修饰球形镁合金粉体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种基于静电自组装的活性修饰球形镁合金粉体及其制备方法和应用。本发明专利技术通过对反应溶剂的筛选，配合冷冻干燥工艺，可以通过静电自组装工艺在高活性的镁合金球体表面负载纳米活性颗粒，使材料设计人员实现镁合金球形粉体成分可控的目的，在满足3D打印粉体材料高流动性、高球形度等要求的同时，拓宽了3D打印定制化镁合金粉体的应用前景，使其可以广泛应用于3D打印技术领域中。以广泛应用于3D打印技术领域中。以广泛应用于3D打印技术领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于静电自组装的活性修饰球形镁合金粉体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及合金材料技术及增材制造
，尤其是一种基于静电自组装的活性修饰球形镁合金粉体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]增材制造技术(Additive Manufacturing)，又称3D打印技术，是近年来材料技术、数字化技术与高端制造技术多学科交融发展的一种先进制造技术。3D打印技术是一种通过逐层熔化、累加、堆积材料以生成三维实体件的一种快速增材制造技术，不仅克服了传统减材制造造成的损耗，而且使产品制造更加智能、精准、高效。尤其是涉及到复杂形状的高端制造，3D打印技术显示出巨大的优越性。
[0003]基于3D打印的特殊优势，镁合金，作为一种最轻的结构金属，其高性能材料的制备已经引起了众多研究学者和技术人员的兴趣。如中国专利CN104762541A就针对3D打印用稀土镁合金的材料配方和制造方法进行了具体设计。但金属增材制造所用粉末一般均为球形粉末，且要求球化率一般大于98％，因此，尽管通过熔炼、化清、精炼、静置、雾化等一系列步骤后可以得到满足3D打印要求的镁合金粉末，但是材料设计、铸锭试制及后续的粉末制备过程是一个极为耗时耗力且相当繁琐的过程，难以满足适于增材制造用新型镁合金材料的开发和研制。目前对合金球形颗粒的改性主要是在其表面包覆活性较低的材料如石墨烯(哈尔滨理工大学高鑫的论文《石墨烯增强铝基复合材料的制备及力学性能研究》)，但是对于高活性的物质例如Cu、Al、Si、Ti、Zn等，则很难用其提供的方法将上述粒子附着在球形度高、流动性好且适于3D打印的镁合金粉体材料上，虽然现有技术中有采用喷涂的方式在镁合金表面喷涂铝、锌等金属材料，但是喷涂的原理是通过高速撞击使活性物质和底层表面实现原子结合，这种高速撞击的方式会改变底层镁合金的球形度，而3D打印用原料需要具有很好的球形度。此外，由于镁合金中镁元素非常活泼，也无法通过常规的熔炼方式进行改性，可见，将活性物质负载到镁合金表面，且不改变镁合金粉体的球形度和流动性是现如今亟待解决的关键问题。
[0004]因此，需要提供一种高球形度、高流动性且高活性的3D打印用镁合金粉体的制备工艺。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术的目的在于，针对增材制造用高活性球形镁合金粉体材料表面原位掺杂其他高活性纳米颗粒困难的问题，提供一种高球形度、高流动性的3D打印用活性修饰球形镁合金粉体材料的制备工艺。
[0006]本专利技术的另一目的在于，提供由所述制备工艺制备得到的活性修饰球形镁合金粉体材料。
[0007]本专利技术的另一目的在于，提供所述活性修饰球形镁合金粉体材料在3D打印领域中
的应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种活性修饰球形镁合金粉体的制备方法，包括如下步骤：
[0010]S1.去除杂质的微米级镁合金球形粉末和酸洗后的纳米级活性颗粒表面进行表面离子修饰，使微米级镁合金球形粉末和纳米级活性颗粒分别负载上不同电荷种类的离子；
[0011]所述酸洗所用的酸溶液中酸的浓度为0.01～5wt％；
[0012]S2.将离子修饰后的活性颗粒以及镁合金球形粉末分别分散到反应溶剂中，得到含有离子修饰的微米级镁合金球形粉末的溶液A和含有离子修饰的纳米级活性颗粒的溶液B，将溶液A和溶液B混合均匀后，取沉淀即得到自组装后的活性修饰的镁合金复合粉体；
[0013]S3.将步骤S2.得到的自组装后的活性修饰的镁合金复合粉体进行冷冻干燥、等离子处理、干燥后即得所述活性修饰球形镁合金粉体；
[0014]其中，步骤S2.中所述反应溶剂为醚类溶剂。
[0015]静电自组装是近几年发展起来的一种高效的负载方式，但是由于镁合金中镁元素的高活泼性，极易与表面修饰的纳米活性颗粒发生反应，本专利技术的专利技术人通过大量实验研究发现，只有在特定的溶剂(如醚类溶剂)中进行自组装反应，才可以在镁合金表面自组装包覆上纳米级活性颗粒；同时在干燥时为了防止镁合金粉末发生反应甚至爆炸，选用冷冻干燥的方式进行干燥；本专利技术为保证纳米活性颗粒以金属单质的形式被附着在微米级镁合金粉末表面，采用了浓度较低的酸对其表面的氧化膜进行清洗去除后再进行表面改性，但所选用的酸浓度如果过高的话将导致纳米颗粒被大量溶解，无法进行后续的表面改性和粉体修饰。
[0016]优选地，所述醚类溶剂为乙醚、四氢呋喃或1，4
‑
二氧六环中的至少一种，进一步优选为乙醚。四氢呋喃具有一定的毒性；选用乙醚作为反应溶剂，不仅毒性小且具有更高的自组装稳定性。
[0017]优选地，所述微米级镁合金球形粉末的平均粒径(D
50
粒径)10～180μm，进一步优选为15～60μm。微米级镁合金球形粉末的球形粒径太小，容易发生团聚，不利于纳米活性颗粒的自组装包覆；粒径太大，在反应溶剂中容易发生沉淀，无法形成稳定的悬浊液。
[0018]优选地，所述纳米级活性颗粒的平均粒径(D
50
粒径)为10～900nm，进一步优选为50～280nm。活性颗粒的平均粒径太小，容易发生团聚；粒径太大，一方面重量增加，自组装的静电吸附作用不足以稳定地将纳米活性颗粒负载到镁合金表面，另一方面，较大粒径的活性颗粒负载到镁合金表面，还会在一定程度上降低镁合金粉末的球形度，影响流动性。
[0019]优选地，所述纳米级活性颗粒为Cu、Al、Si、Ti或Zn中的至少一种。
[0020]优选地，步骤S1.中所述酸洗所用的酸溶液中H
+
的浓度低虽然可以保证镁合金球形粉末的球形度和纳米活性颗粒纯度及形貌，但是相应地耗时也会增加，从时间成本及氧化膜的去除效果综合考虑，酸的浓度优选为0.05～1wt％。
[0021]优选地，步骤S1.中所述表面离子修饰选用阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂进行修饰。
[0022]所述阳离子表面活性剂为(3
‑
氨基丙基)三乙氧基硅烷、十六烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵或四甲基氟化铵中的至少一种。
[0023]所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、阴离子聚丙烯酰
胺、脂肪酸磺烷基酯或脂肪酸磺烷基酰胺中的至少一种。
[0024]步骤S1.中的表面活性修饰具体操作如下：
[0025]将活化后的微米级镁合金球形粉末加入到阳离子表面活性剂溶液中，经充分混合，过滤、洗涤后即可得到阳离子修饰的微米级镁合金球形粉末；对应地将活化后的纳米级活性颗粒加入到阴离子表面活性剂溶液中，经充分混合，过滤、洗涤后即可得到阴离子修饰的纳米级活性颗粒。
[0026]还可将活化后的微米级镁合金球形粉末加入到阴离子表面活性剂溶液中，对应地将活化后的纳米级活性颗粒加入到阳离子表面活性剂溶液中进行修饰。
[0027]优选地，所述阳离子表面活性剂溶液和阴离子表面活性剂溶液的浓度独立地为0.1～100g/L，所述阳离子表面活性剂溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种活性修饰球形镁合金粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.去除杂质的微米级镁合金球形粉末和酸洗后的纳米级活性颗粒进行表面离子修饰，使微米级镁合金球形粉末和纳米级活性颗粒分别负载上不同电荷种类的离子；所述酸洗所用的酸溶液中酸的浓度为0.01～5wt％；S2.将离子修饰后的活性颗粒以及镁合金球形粉末分别分散到反应溶剂中，得到含有离子修饰的微米级镁合金球形粉末的溶液A和含有离子修饰的纳米级活性颗粒的溶液B，将溶液A和溶液B混合均匀后，取沉淀即得到自组装后的活性修饰的镁合金复合粉体；S3.将步骤S2.得到的自组装后的活性修饰的镁合金复合粉体进行冷冻干燥、等离子处理、干燥后即得所述活性修饰球形镁合金粉体；其中，步骤S2.中所述反应溶剂为醚类溶剂。2.如权利要求1所述的活性修饰球形镁合金粉体的制备方法，其特征在于，所述醚类溶剂为乙醚、四氢呋喃或1，4
‑
二氧六环中的至少一种。3.如权利要求1所述的活性修饰球形镁合金粉体的制备方法，其特征在于，所述纳米级活性颗粒为Cu、Al、Si、Ti或Zn中的至少一种。4.如权利要求1所述的活性修饰球形镁合金粉体的制备方法，其特征在于，步骤S1.中所述酸洗所用的酸为盐酸或硝酸中的至少一种。5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫星辰，常成，易江龙，刘敏，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：