CN108237220A - 一种复合粉末及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合粉末的制备方法，以药芯丝材为原料，通过热喷涂将药芯丝材熔融形成液滴，直接喷射在真空环境或气体氛围中，凝结形成所述复合粉末。本发明提供了一种复合粉末的制备方法，原料组成简单、工艺简便，制备得到复合粉末为球状，具有核壳结构，粒径为10μm～100μm，且粒径范围可以通过改变制备工艺参数来调节。该复合粉末适用于3D打印技术。

Description

一种复合粉末及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料的制备领域，具体涉及一种复合粉末及其制备方法和应用。
背景技术
3D打印，即快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其制造快速，可完全再现三维效果，使产品设计和模具生产同步进行，实现设计制造一体化。目前，可用于3D打印设备上使用的材料包括金属材料、无机粉体材料、陶瓷材料、高分子材料等等。
复合材料因其优异的机械性能和理化性能，一直是科学研究和产业化应用的关注焦点。随着3D打印技术的兴起，对复合材料粉末产生了巨大需求，复合材料粉末的特性直接影响3D打印制品的综合性能，复合粉末的制备效率也决定了3D打印制品的成本。
公开号为CN105583401A的中国专利文献公开了一种制备用于3D打印的复合粉末的方法、产品以及应用，复合粉末的制备包括以下步骤：S1：将金属基体相粉末与纳米陶瓷强化相粉末执行机械混合，获得混合粉末；S2：对混合粉末进行球磨工艺，获得复合粉末。机械合金化是制备复合粉末的常用方法，但其生产效率受制于球磨罐尺寸和球磨时间。同时，陶瓷相的尺寸为微纳米级。
又如公开号为CN105524449A的中国专利文献中公开了一种3D打印用聚苯醚复合粉体，原料组分按重量份计包括：聚苯醚50-70份，碱式硫酸镁晶须10-20份，钠系氧化物3-5份，相容剂5-10份，表面改性剂0.2-0.5份，热稳定性0.1-0.4份，抗氧剂0.5-1份。复合粉体的制备过程中，需要先对碱式硫酸镁晶须进行表面改性，以提高其与聚苯醚的相容性，再与其他原料组分经高速共混后，再经挤出成型得到聚苯醚复合粉体。由此可知，在制备由无机材料和高分子材料复合而成的粉体材料时，即需要对无机粉体材料进行预处理以提高其与高分子材料的相容性，此外，还需要外加各种助剂如表面改性剂、相容剂、热稳定剂等等以提高复合材料的综合性能。这无疑增加了无机-有机复合粉末制备工艺的复杂性。
发明内容
本发明提供了一种具有核壳结构的复合粉末的制备方法，原料组成简单、工艺简便，制备得到复合粉末的粒径可控，适合用于3D打印技术。
具体技术方案如下：
一种复合粉末的制备方法，以药芯丝材为原料，通过热喷涂将药芯丝材熔融形成液滴，直接喷射在真空环境或气体氛围中，凝结形成所述复合粉末。
本发明中复合粉末的制备方法，突破了现有技术中通过热喷涂技术仅能制备涂层的桎梏，创造性地提出以药芯丝材为原料，利用电弧、燃烧的火焰等作为热源，将原料加热到熔融状态从而形成液滴，然后将液滴直接喷射到真空环境，或者是如大气或保护气氛的气体氛围中，经凝结后直接制备复合粉末。
本制备方法以药芯丝材为原料，所述的药芯丝材包括药芯材料和包覆所述药芯材料的金属丝材外衣；本制备方法具有很好的适应性，可采用的药芯材料包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料中的至少一种。
作为优选，所述的金属材料选自金属铝、铜、镍、铬、铁或至少两种所述的金属组成的合金中的至少一种；
所述的陶瓷材料选自氧化硅、金刚石、碳化硼、氧化铝、碳化硅等中的至少一种；
所述的高分子材料选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚氟乙烯、氟碳树脂、聚氨酯、聚乙烯、聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚亚苯基、聚苯乙炔、聚苯胺中的至少一种；
作为优选，所述药芯材料的粒径可以是纳米级的，也可以是微米级的。粒径范围为5nm～100μm。
进一步优选，所述的药芯材料由金属材料或陶瓷材料，再与高分子材料混合后得到；所述金属材料或陶瓷材料与高分子材料的质量比为1～4:1。
作为优选，所述的金属丝材外衣为金属带材，选自纯镍带材、镍合金带材、不锈钢带材、铸铁带材、铝带材、铝合金带材、铜带材或铜合金带材。
作为优选，所述药芯材料和金属丝材外衣的质量比为5～25:100。进一步优选，所述药芯材料和金属丝材外衣的质量比为20:100。
作为优选，所述药芯丝材的直径为1～3mm；
所述的热喷涂选自电弧喷涂或火焰喷涂。
进一步优选，所述的热喷涂选自电弧喷涂，喷涂电流为100～400A，喷涂电压为20～50V，压缩空气压力为0.4～2MPa。
采用电弧喷涂时，通过控制压缩空气的压力可以调控产物复合粉末的粒径，压力越高、粉末粒径越小。进一步优选，所述压缩空气压力为0.8～1.4MPa。
作为优选，所述的气体氛围包括大气环境或保护气氛环境。
所述的保护气氛包括氩气、氦气、氮气等。
不同的喷涂环境下获得的复合粉末中的含氧量会有所不同，当应用于对复合粉末中含氧量有明确要求的情况时，优选采用的喷涂环境为气氛保护环境。
本发明公开了根据上述方法制备的复合粉末，所述的复合粉末为球状，具有核壳结构，以所述的药芯材料为核，以所述金属带材为壳，复合粉末的粒径为10μm～100μm，该粒径范围可以通过改变制备工艺参数来调节。
该复合粉末流动性好、结构可控，可应用于3D打印技术中，克服了现有的复合粉末工艺复杂，生产效率低的问题。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：
1、本发明提供了一种新型的复合粉末的制备工艺，采用热喷涂技术，不采用基体，直接向环境中喷涂，经凝结后直接收集即可得到粒径范围可控、组成可控的具有核壳结构的球状复合粉末。
2、该方法采用的原料简单、工艺流程短且可控，复合粉末的制备效率高、成本低，适合大规模的工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制备的复合粉末的扫描电镜图；
图2为实施例2制备的复合粉末的扫描电镜图；
图3为实施例3制备的复合粉末的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述:
为表征本发明中一种复合颗粒形貌，利用场发射扫描电镜(SEM)对制备获得的粉末样品表面和断面形貌进行表征，以下是具体的性能检测方法。
(1)表面微观形貌观察：将制备的样品置于去离子水溶液中超声处理30min，然后80℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其表面微观形貌。
(2)断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于去离子水溶液中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌。实施例1：
本实施例中，药芯丝材外衣为不锈钢，药芯为SiO2颗粒，采用电弧喷涂工艺制备，大气环境收集复合粉末，具体步骤为：在不锈钢带材中添加重量比为20％的SiO2颗粒，制备直径为1.97mm的药芯丝材，采用电弧喷涂，具体参数为：电流120A，电压40V，压缩空气压力0.8MPa，制备复合粉末，大气环境中收集所制备的复合粉末；
对上述制备的涂层进行如下性能检测：
(1)复合粉末截面微观组织形貌观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测颗粒截面微观形貌，证实颗粒内含有SiO2。
(2)复合粉末表面微观组织形貌观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测颗粒表面微观形貌，粉末为球形，粒径10～80μm。
实施例2：
本实施例中，药芯丝材外衣为不锈钢，药芯为聚四氟乙烯颗粒和SiO2颗粒，采用电弧喷涂工艺制备，气氛保护环境收集复合粉末，具体步骤为：在不锈钢带材中添加重量比为4％的聚四氟乙烯颗粒和16％SiO2颗粒，制备直径为1.97mm的药芯丝材，采用电弧喷涂，具体参数为：电流120A，电压40V，氮气压力0.8MPa，制备复合粉末，气氛保护环境收集所制备的复合粉末；
对上述制备的涂层进行如下性能检测：
(1)复合粉末截面微观组织形貌观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测颗粒截面微观形貌，证实颗粒内含有聚四氟乙烯和SiO2。
(2)复合粉末表面微观组织形貌观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测颗粒表面微观形貌，粉末为球形，粒径15～75μm。
实施例3：
本实施例中，药芯丝材外衣为不锈钢，药芯为聚全氟乙丙烯颗粒和铝颗粒，采用电弧喷涂工艺制备，大气环境收集复合粉末，具体步骤为：在不锈钢带材中添加重量比为10％的聚全氟乙丙烯颗粒和10％的微米铝粉，制备直径为1.97mm的药芯丝材，采用电弧喷涂，具体参数为：电流120A，电压30V，压缩空气压力1.4MPa，制备复合粉末，大气环境中收集所制备的复合粉末；
对上述制备的涂层进行如下性能检测：
(1)复合粉末截面微观组织形貌观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测颗粒截面微观形貌，证实颗粒内含有聚全氟乙丙烯和铝。
(2)复合粉末表面微观组织形貌观察：利用场发射扫描电子显微镜(SEM)检测颗粒表面微观形貌，粉末为球形，粒径10～60μm。

Claims (10)

1.一种复合粉末的制备方法，其特征在于，以药芯丝材为原料，通过热喷涂将药芯丝材熔融形成液滴，直接喷射在真空环境或气体氛围中，凝结形成所述复合粉末。
2.根据权利要求1所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的药芯丝材包括药芯材料和包覆所述药芯材料的金属丝材外衣；
所述的药芯材料包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的金属材料选自金属铝、铜、镍、铬、铁或至少两种所述的金属组成的合金中的至少一种；
所述的陶瓷材料选自氧化硅、金刚石、碳化硼、氧化铝、碳化硅中的至少一种；
所述的高分子材料选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚氟乙烯、氟碳树脂、聚氨酯、聚乙烯、聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚亚苯基、聚苯乙炔、聚苯胺中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的金属丝材外衣为金属带材，选自纯镍带材、镍合金带材、不锈钢带材、铸铁带材、铝带材、铝合金带材、铜带材或铜合金带材。
5.根据权利要求4所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述药芯材料和金属丝材外衣的质量比为5～25:100。
6.根据权利要求1所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述药芯丝材的直径为1～3mm；
所述的热喷涂选自电弧喷涂或火焰喷涂。
7.根据权利要求6所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的热喷涂选自电弧喷涂，喷涂电流为100～400A，喷涂电压为20～50V，压缩空气压力为0.4～2MPa。
8.根据权利要求1所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，所述的气体氛围包括大气环境或保护气氛环境。
9.一种根据权利要求1～8任一权利要求所述的方法制备的复合粉末，其特征在于，所述的复合粉末为球状，具有核壳结构，以所述的药芯材料为核，以所述金属带材为壳，复合粉末的粒径为10μm～100μm。
10.一种根据权利要求9所述的复合粉末在3D打印技术中的应用。
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