CN106862566A - 碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法。碳纤维金属材料的制备方法包括：待烧结材料包括混合的金属粉末以及纤维，纤维为纳米或微米级纤维，利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料。传统激光烧结制备的金属材料，机械强度弱于锻件；而混合有纳米纤维烧结形成的碳纤维金属材料，其机械性能以及耐磨性大幅提高。碳纤维金属物品的制造方法包括：用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维。与碳纤维金属材料的制备方法类似，提升金属粉末烧结后的机械强度、耐磨性，相应的，也克服了选择性激光烧结技术产生的金属物品机械强度较弱的缺陷。

Description

碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及一种碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法。
背景技术
快速成型技术中的SLS(selective laser sintering，选择性激光烧结，以下简称SLS)是预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末)，在计算机的控制下，高强度的激光器按照界面轮廓信息将粉末逐层的烧结在一起，最终层层堆积成型，此类方法具有制造工艺简单，成型速度快，材料的利用率高等一系列优点。但另一方面，SLS虽然具有制造任意复杂零件的优势，但是它也有着金属粉末经其烧结后机械强度较差(相比较锻造)等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法，以解决上述问题。
第一方面，提供一种碳纤维金属材料的制备方法，方法包括：利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维为纳米纤维或微米级纤维。
在本发明较佳的实施例中，利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料，包括：铺设待烧结材料；通过激光对待烧结材料进行烧结，使得纤维石墨化，金属粉末融化，纤维与金属粉末融合为碳纤维金属复合材料。
在本发明较佳的实施例中，利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料之前，还包括：为聚丙烯腈溶液施加高压静电场，使聚丙烯腈溶液形成射流，射流在高压静电场中加速并拉伸；聚丙烯腈溶液的溶剂蒸发，射流分散开并形成纤维；收集纤维；混合纤维和金属粉末，得到待烧结材料。
在本发明较佳的实施例中，金属粉末包括一种或多种金属元素。
第二方面，提供一种碳纤维金属物品的制造方法，方法包括：利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维为纳米纤维或微米级纤维。
在本发明较佳的实施例中，利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，包括：均匀铺设待烧结材料；利用激光对待烧结材料进行部分烧结，使得被烧结的待烧结材料中，纤维石墨化，金属粉末融化，纤维与金属粉末融合为单层的碳纤维金属复合材料；多次重复上述步骤，使得多层碳纤维金属复合材料堆积为碳纤维金属物品。
在本发明较佳的实施例中，多次重复上述步骤，使得多层碳纤维金属复合材料堆积为碳纤维金属物品之后，还包括：去除未烧结的待烧结材料。
在本发明较佳的实施例中，利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品之前，还包括：为聚丙烯腈溶液施加高压静电场，使聚丙烯腈溶液形成射流，射流在高压静电场中加速并拉伸；聚丙烯腈溶液的溶剂蒸发，射流分散开并形成纤维；收集纤维；混合纤维和金属粉末，得到待烧结材料。
在本发明较佳的实施例中，构成碳纤维金属物品的多层碳纤维金属复合材料厚度相等。
在本发明较佳的实施例中，金属粉末包括一种或多种金属元素。
相较于现有技术，本发明提供一种碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法。碳纤维金属材料的制备方法包括：待烧结材料包括混合的金属粉末以及纤维，纤维为纳米或微米级纤维，利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料。传统激光烧结制备的金属材料，机械强度弱于锻件；而混合有纳米纤维烧结形成的碳纤维金属材料，其机械性能以及耐磨性大幅提高。碳纤维金属物品的制造方法包括：用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维。与碳纤维金属材料的制备方法类似，提升金属粉末烧结后的机械强度、耐磨性，相应的，也克服了选择性激光烧结技术产生的金属物品机械强度较弱的缺陷。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的一种碳纤维金属材料的制备方法的流程图。
图2为本发明第二实施例提供的一种碳纤维金属材料的制备方法的流程图。
图3为本发明第三实施例提供的一种碳纤维金属物品的制造方法的流程图。
图4为本发明第三实施例提供的步骤S310的具体流程图。
图5为本发明第四实施例提供的一种碳纤维金属物品的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
第一实施例
请参阅图1，本实施例提供了一种碳纤维金属材料的制备方法，方法包括：
步骤S210：利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维为纳米纤维或微米级纤维。
具体而言，应先铺设待烧结材料，而后通过激光对待烧结材料进行烧结，这将使得待烧结材料中的纤维石墨化，金属粉末融化，从而纤维与金属粉末融合为碳纤维金属复合材料。
金属粉末一般为Fe为主要元素的材料制成，如铸铁、钢等，金属粉末可以是为铜、铝等作为主要元素的材料制成，金属粉末还可以是两种或两种以上金属的混合，如铜锡合金粉末等。
纤维可以为纳米纤维，也可以是微米级纤维。
在一种实施方式中，金属粉末应与纤维均匀混合，即待烧结材料中任意单位体积内的金属粉末和纤维的比例为固定值。同时，金属粉末也可与纤维非均匀混合。
整体而言，本实施例提供了一种碳纤维金属材料的制备方法，通过对金属粉末和纤维混合而成的待烧结材料，进行激光烧结，激光使得纤维石墨化，金属粉末融化，得到碳纤维金属复合材料。与现有技术相比，为金属添加碳纤维，克服了激光烧结金属粉末形成的金属机械强度较弱的缺陷。
第二实施例
请参阅图2，本实施例提供了一种碳纤维金属材料的制备方法。包括以下步骤：
步骤S110：为聚丙烯腈溶液施加高压静电场，使聚丙烯腈溶液形成射流，射流在高压静电场中加速并拉伸。
步骤S120：聚丙烯腈溶液的溶剂蒸发，射流分散开并形成纤维。
步骤S130：收集纤维。
纤维由聚丙烯腈溶液通过静电纺丝技术制成。
静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，它基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理发展而来。其基本过程为：聚合物溶液或溶体在几千至几万伏的高压静电场下克服表面张力产生带电喷射流，溶液或熔体在喷射过程中干燥、固化最终落在接收装置上形成纤维毡或其他形式的纤维结构物，由于静电纺丝技术特殊的原理与工艺，制得的纤维直径一般在数十纳米到数百纳米，也可能达到微米级别。
实际上，纤维也可通过以下方式制造，如分子技术制备法，包括电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法等；如纺丝法制备法，包括海岛型多组分纺丝法和单螺杆混抽法；如生物制备法等。需要说明，纤维的制备方法可根据实际需要任意选取，制造纤维的原料应根据采用的制备方法选取，不一定是聚丙烯腈，也可以是其他材料。
步骤S140：混合纤维和金属粉末，得到待烧结材料。
收集到纤维后，还应将金属粉末和纤维混合，得到待烧结材料，便于通过激光进行烧结。
金属粉末一般为Fe为主要元素的材料制成，如铸铁、钢等，金属粉末可以是为铜、铝等作为主要元素的材料制成，金属粉末还可以是两种或两种以上金属的混合，如铜锡合金粉末等。
在一种实施方式中，金属粉末应与纤维均匀混合，即待烧结材料中任意单位体积内的金属粉末和纤维的比例为固定值。同时，金属粉末也可与纤维非均匀混合。
步骤S150：利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料。
具体而言，应先铺设待烧结材料，而后通过激光对待烧结材料进行烧结，这将使得待烧结材料中的纤维石墨化，金属粉末融化，从而纤维与金属粉末融合为碳纤维金属复合材料。
整体而言，本实施例提供了一种碳纤维金属材料的制备方法，该方法包括利用激光对待烧结材料进行烧结，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维可以是纳米纤维或微米级纤维；激光使得纤维石墨化，金属粉末融化，从而纤维与金属粉末融合为碳纤维金属复合材料。金属粉末可以单种金属为主要原材料，也可以为合金粉末；纤维可以由聚丙烯腈溶液通过静电纺丝技术制成，也可以为其他原材料通过其他方式制成。相较于现有技术，为金属添加碳纤维，克服了激光烧结金属粉末形成的金属机械强度较弱的缺陷。
第三实施例
请参阅图3，本实施例提供了一种碳纤维金属物品的制造方法，方法包括：
步骤S310：利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维为纳米纤维或微米级纤维。
金属粉末一般为Fe为主要成份的材料制成，如铸铁、钢等，金属粉末可以是为铜、铝等作为主要元素的材料制成，金属粉末还可以是两种或两种以上金属的混合，如铜锡合金粉末等。
纤维可以是纳米级纤维，也可以是微米级纤维。
在一种实施方式中，金属粉末应与纤维均匀混合，即待烧结材料中任意单位体积内的金属粉末和纤维的比例为固定值。同时，金属粉末也可与纤维非均匀混合。
在步骤S310中，涉及到了选择性激光烧结技术(selective laser sintering，SLS)。选择性激光烧结技术多采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。
请参阅图4，具体到本实施例，利用选择性激光烧结技术，步骤S310，利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，包括：
步骤S510：均匀铺设待烧结材料。
可在一平面或弯曲面铺设待烧结材料，待烧结材料在平面或弯曲面各处厚度应相等。
步骤S520：利用激光对待烧结材料进行部分烧结，使得被烧结的待烧结材料中，纤维石墨化，金属粉末融化，纤维与金属粉末融合为单层的碳纤维金属复合材料。
步骤S530：多次重复上述步骤，使得多层碳纤维金属复合材料堆积为碳纤维金属物品。
每次重复步骤S510时，构成碳纤维金属物品的多层碳纤维金属复合材料厚度相等。当一层烧结完成后，在烧结完成的碳纤维金属复合材料的表层再次铺设待烧结材料，用于下一次烧结，此后执行步骤S520。当再次利用激光对待烧结材料进行部分烧结时，纤维石墨化，金属粉末融化，纤维与金属粉末融合为单层的碳纤维金属复合材料；而此前烧结完成的碳纤维金属复合材料贴近待烧结材料的一面，将与待烧结材料中融化后的金属粉末融合，从而使得多层碳纤维金属复合材料相互融合，构成完整的碳纤维金属物品。重复的次数根据实际制造的碳纤维金属物品的高度决定。
现有技术单纯利用金属粉末进行3D金属物品打印，具有孔洞过多，机械强度不足等缺陷，碳纤维金属物品由碳纤维金属复合材料制成，碳纤维金属物品中的碳纤维在一定程度上填补了金属间孔洞，增强了金属的机械强度。
步骤S540：去除未烧结的待烧结材料。
根据打印的碳纤维金属物品的结构，待烧结材料被烧结的只是其中的一部分，未被烧结的待烧结材料依然为金属粉末和纤维的混合物，需要清理。
整体而言，本实施例提供了一种碳纤维金属物品的制造方法。该方法利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品。待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维为纳米纤维或微米级纤维，激光使得纤维石墨化，金属粉末融化，从而纤维与金属粉末融合为碳纤维金属复合材料，多层厚度均等的碳纤维金属复合材料相堆叠，形成碳纤维金属物品。金属粉末可以是单种金属为主要原材料，也可以为合金粉末。相较于现有技术，为金属添加碳纤维，克服了选择性激光烧结技术产生的金属物品机械强度较弱的缺陷。
第四实施例
请参阅图5，本实施例提供一种在一种碳纤维金属物品的制造方法。该方法包括：
步骤S410：为聚丙烯腈溶液施加高压静电场，使聚丙烯腈溶液形成射流，射流在高压静电场中加速并拉伸。
步骤S420：聚丙烯腈溶液的溶剂蒸发，射流分散开并形成纤维。
步骤S430：收集纤维。
由聚丙烯腈溶液通过静电纺丝技术制成纤维。
静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，它基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理发展而来。其基本过程为：聚合物溶液或溶体在几千至几万伏的高压静电场下克服表面张力产生带电喷射流，溶液或熔体在喷射过程中干燥、固化最终落在接收装置上形成纤维毡或其他形式的纤维结构物，由于静电纺丝技术特殊的原理与工艺，制得的纤维直径一般在数十纳米到数百纳米，也可能达到微米级别。
实际上，纤维也可以通过以下方式制造，如分子技术制备法，包括电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法等；如纺丝法制备法，包括海岛型多组分纺丝法和单螺杆混抽法；如生物制备法等。上述方法均属于本领域公知技术。需要说明，纤维的制备方法可根据实际需要任意选取，此外，制造纤维的原料也不一定是聚丙烯腈，也可以是其他材料。
步骤S440：混合纤维和金属粉末，得到待烧结材料。
收集到纤维后，还应将金属粉末和纤维混合，得到待烧结材料，便于通过激光进行烧结。
金属粉末一般为Fe为主要成份的材料制成，如铸铁、钢等，金属粉末可以是为铜、铝等作为主要元素的材料制成，金属粉末还可以是两种或两种以上金属的混合，如铜锡合金粉末等。
在一种实施方式中，金属粉末应与纤维均匀混合，即待烧结材料中任意单位体积内的金属粉末和纤维的比例为固定值。同时，金属粉末也可与纤维非均匀混合。
步骤S450：利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维。
整体而言，本实施例提供了一种碳纤维金属物品的制造方法。该方法利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品。待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维可为纳米纤维或微米级纤维；激光使得纤维石墨化，金属粉末融化，从而纤维与金属粉末融合为碳纤维金属复合材料，多层厚度均等的碳纤维金属复合材料相堆叠，形成碳纤维金属物品。金属粉末可以是单种金属为主要原材料，也可以为合金粉末；纤维可以由聚丙烯腈溶液通过静电纺丝技术制成，也可以为其他原材料通过其他方式制成。相较于现有技术，为金属添加碳纤维，克服了选择性激光烧结技术产生的金属物品机械强度较弱的缺陷。
综上所述，本发明提供了一种碳纤维金属材料的制备方法及碳纤维金属物品的制造方法。碳纤维金属材料的制备方法包括：待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，纤维可为纳米纤维或微米级纤维；利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料。传统的金属粉末烧结形成的材料机械强度较弱，而混合有纤维烧结形成碳纤维的金属材料，足以克服这一缺陷。碳纤维金属物品的制造方法包括：利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维。与碳纤维金属材料的制备方法类似，能够提升金属粉末烧结后的机械强度等性能，相应的，也克服了选择性激光烧结技术产生的金属物品机械强度不足的缺陷。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和涉及到的设备，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的方法和方法涉及到的设备的可能实现的体系架构、功能和操作。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种碳纤维金属材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料，所述待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，所述纤维为纳米纤维或微米级纤维。
2.根据权利要求1所述的碳纤维金属材料的制备方法，其特征在于，所述利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料，包括：
铺设所述待烧结材料；
通过激光对所述待烧结材料进行烧结，使得所述纤维石墨化，所述金属粉末融化，所述纤维与所述金属粉末融合为碳纤维金属复合材料。
3.根据权利要求2所述的碳纤维金属材料的制备方法，其特征在于，所述利用激光对待烧结材料进行烧结，得到碳纤维金属复合材料之前，还包括：
为聚丙烯腈溶液施加高压静电场，使所述聚丙烯腈溶液形成射流，所述射流在所述高压静电场中加速并拉伸；
所述聚丙烯腈溶液的溶剂蒸发，所述射流分散开并形成所述纤维；
收集所述纤维；
混合所述纤维和所述金属粉末，得到所述待烧结材料。
4.根据权利要求3所述的碳纤维金属材料的制备方法，其特征在于，所述金属粉末包括一种或多种金属元素。
5.一种碳纤维金属物品的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，所述待烧结材料包括混合的金属粉末和纤维，所述纤维为纳米纤维或微米级纤维。
6.根据权利要求5所述的碳纤维金属物品的制造方法，其特征在于，所述利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品，包括：
均匀铺设所述待烧结材料；
利用激光对待烧结材料进行部分烧结，使得被烧结的所述待烧结材料中，所述纤维石墨化，所述金属粉末融化，所述纤维与所述金属粉末融合为单层的碳纤维金属复合材料；
多次重复上述步骤，使得多层所述碳纤维金属复合材料堆积为碳纤维金属物品。
7.根据权利要求6所述的碳纤维金属物品的制造方法，其特征在于，所述多次重复上述步骤，使得多层所述碳纤维金属复合材料堆积为碳纤维金属物品之后，还包括：
去除未烧结的待烧结材料。
8.根据权利要求7所述的碳纤维金属物品的制造方法，其特征在于，所述利用选择性激光烧结技术对待烧结材料进行部分烧结，得到碳纤维金属物品之前，还包括：
为聚丙烯腈溶液施加高压静电场，使所述聚丙烯腈溶液形成射流，所述射流在所述高压静电场中加速并拉伸；
所述聚丙烯腈溶液的溶剂蒸发，所述射流分散开并形成所述纤维；
收集所述纤维；
混合所述纤维和所述金属粉末，得到所述待烧结材料。
9.根据权利要求5-8中任意一项所述的碳纤维金属物品的制造方法，其特征在于，构成所述碳纤维金属物品的多层所述碳纤维金属复合材料厚度相等。
10.根据权利要求9所述的碳纤维金属物品的制造方法，其特征在于，所述金属粉末包括一种或多种金属元素。
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