CN109608871B - 尼龙12-过渡金属二硼化物复合物及其成形方法与应用 - Google Patents
尼龙12-过渡金属二硼化物复合物及其成形方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种尼龙12‑过渡金属二硼化物复合物及其成形方法与应用，属于3D打印成形技术领域。该尼龙12‑过渡金属二硼化物复合物包括至少一层单层复合材料，单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得。当尼龙12‑过渡金属二硼化物复合物包括多层单层复合材料时，相邻两层的单层复合材料的相对的两个表面互相粘接。该尼龙12‑过渡金属二硼化物复合物具有优良的力学性能，变形收缩小，尺寸精度高，适用于制备医疗辅具和/或手板模型等。其成形方法为选区激光烧结成形方法，该方法简单，操作容易，效率高。
Description
技术领域
本发明属于3D打印成形技术领域，且特别涉及一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物及其成形方法与应用。
背景技术
快速成形技术是上世纪80年代发展起来的一种先进制造技术，目前，用于快速成形技术中的尼龙12具有耐溶剂、耐油、高温环境抵抗应力开裂等优点，但其硬度较低，耐磨性较差，导致其应用受到限制。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，该复合物具有优良的力学性能，变形收缩小，尺寸精度高。
本发明的第二目的在于提供一种上述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法，该成形方法简单，操作容易，成形速度快，效率高。
本发明的第三目的在于提供一种上述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的应用，例如可用于制备医疗辅具和/或手板模型等。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本申请提出了一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物包括至少一层单层复合材料；单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得；过渡金属二硼化物包括TiB2、ZrB2、HfB2、NbB2和TaB2中的至少一种。
当尼龙12-过渡金属二硼化物复合物包括多层单层复合材料时，相邻两层的单层复合材料的相对的两个表面互相粘接。
本申请还提出了一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法，包括以下步骤：
制备单层复合材料：将过渡金属二硼化物与尼龙12共同形成的混合粉末置于选区激光烧结成形设备中，向选区激光烧结成形设备的成型室中充入保护性气氛并预热成型室；激光烧结位于选区激光烧结成形设备的成形缸内的混合粉末，得单层复合材料。
进一步地，在申请中，尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法还包括：
按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成第一层复合材料后，下降工作平面，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，第二层复合材料的混合粉末在激光烧结的同时与第一层复合材料粘接；按预设层数依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物。
本申请还提出了一种上述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的应用，例如可将其用于制备医疗辅具和/或手板模型。
医疗辅具包括手术模型、矫形或假肢。
本申请中尼龙12-过渡金属二硼化物复合物及其成形方法与应用的有益效果包括：
本申请提供的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物具有优良的力学性能，变形收缩小，尺寸精度高，适用于制备医疗辅具和/或手板模型等。其成形方法为选区激光烧结成形方法，该方法简单，操作容易，效率高。
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为本申请实施例1提供的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的实物图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物及其成形方法与应用进行具体说明。
本申请所提供的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物包括至少一层单层复合材料；单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得；过渡金属二硼化物包括TiB2、ZrB2、HfB2、NbB2和TaB2中的至少一种。
当尼龙12-过渡金属二硼化物复合物包括多层单层复合材料时，相邻两层的单层复合材料的相对的两个表面互相粘接。
在一些实施方式中，尼龙12-过渡金属二硼化物复合物可以仅由一层单层复合材料形成，也可以由两层、六层或十层等多层单层复合材料叠加形成，具体层数根据实际需要进行调整和设置。
经发明人发现，通过将过渡金属二硼化物与尼龙12配合，能够有效改善尼龙12硬度低及耐磨性较差的不足，并能使尼龙12-过渡金属二硼化物复合物具有优良的力学性能，硬度高，变形收缩小，尺寸精度高的等特点，其原因可能在于过渡金属二硼化物优异的超高温热稳定性以及高弹性模量等性能能够充分弥补尼龙12的缺陷。
在一些实施方式中，混合粉末中过渡金属二硼化物的体积百分数可以为5-30％，例如5vt％、10vt％、15vt％、20vt％、25vt或30vt％等，也可以为8vt％、12vt％、16vt％、24vt％或28vt％等，还可以为5-30％范围内的任一体积百分数值。
在一些实施方式中，尼龙12的平均粒径可以为20-60μm，例如20μm、30μm、40μm、50μm或60μm等，也可以为25μm、35μm、45μm或55μm等，还可以为20-60μm范围内的任一粒径值。
过渡金属二硼化物的平均粒径可以为5-30μm，例如5μm、15μm或25μm等，也可以为10μm、20μm或30μm等，还可以为5-30μm范围内的任一粒径值。
在一些实施方式中，所得的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的拉伸强度为42-50MPa，和/或拉伸模量为4000-4600MPa。
此外，本申请还提供了一种上述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法，例如可包括以下步骤：
制备单层复合材料：将过渡金属二硼化物与尼龙12共同形成的混合粉末置于选区激光烧结成形设备中，向选区激光烧结成形设备的成型室中充入保护性气氛并预热成型室；激光烧结位于选区激光烧结成形设备的成形缸内的混合粉末，得单层复合材料。
作为可选地，过渡金属二硼化物与尼龙12可以经机械球磨干混以得到混合粉末。
在一些实施方式中，成型室中充入的保护性气氛例如可以包括氩气或氦气。
成型室的预热的温度可以为168-178℃，如168℃、170℃、172℃、175℃或178℃等，也可以为168-178℃范围内的任一温度值。
作为可选地，本申请中所用的激光烧结的条件例如可以包括：激光扫描速度为1500-3000mm/s，和/或激光输出功率为21-25W，和/或铺粉层厚为60-120μm。
其中，激光扫描速度例如可以为1500mm/s、1800mm/s、2000mm/s、2200mm/s、2500mm/s、2800mm/s或3000mm/s等，也可以为1500-3000mm/s范围内的任一速度值。
激光输出功率例如可以为21W、22W、23W、24W或25W等，也可以为21.5W、22.5W、23.5W或24.5W等，还可以为21-25W范围内的任一功率值。
铺粉层厚例如可以为60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm或120μm等，也可以为60-120μm范围内的任一厚度值。值得说明的是，上述铺粉层厚指单层复合材料的铺粉层厚。
进一步地，上述成形方法还包括：
在按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成第一层复合材料后，下降工作平面，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，第二层复合材料的混合粉末在激光烧结的同时与第一层复合材料(或工作平面)粘接；按预设层数依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物。
承上，本申请的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形原理包括：工作时，选区激光烧结系统中粉末缸的送粉活塞上升一个铺粉层厚的高度，选区激光烧结系统中成形缸通过铺粉滚筒在工作活塞上均匀地铺上一层由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末，通过计算机根据三维模型的切片数据来控制激光束的扫描路径来进行二维硅基扫描，通过有选择性地烧结粉末从而形成第一层复合材料。工作活塞在烧结完一层后下降一个铺粉层厚，铺粉系统重复前面的操作重新铺上一层新的混合粉末，一个新的复合材料截面层通过计算机系统控制激光束再次烧结成形。如此循环，层层叠加，直至达到预设复合材料层数。
本申请通过采用选区激光烧结技术，以粉体材料为原料，以激光为热源，采用分层-叠加原理直接从CAD模型制造三维实体，相比其它增材制造技术(例如FDM)，前期图形处理时需要添加的支撑较少，制件加工完成后的后期处理相对简便，所得制件的力学强度高。
此外，本申请还提供了一种上述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的应用，例如可将其用于制备医疗辅具和/或手板模型。其中，医疗辅具可包括手术模型、矫形或假肢等。通过将尼龙12-过渡金属二硼化物复合物应用于医疗辅具和/或手板模型中，能够提高医疗辅具和/或手板模型的力学性能及使用寿命等。
实施例1
本实施例提供一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物由200层单层复合材料叠加而成，单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得，其中，过渡金属二硼化物为TiB2。
其制备方法包括：
A、制备单层复合材料
(1)将尼龙12粉末和TiB2粉末按体积比为85:15在行星式球磨机中混合12小时后过筛备用，其中，尼龙12的平均粒径为45μm，TiB2粉末的平均粒径为10μm；
(2)将所得混合粉末置在选区激光烧结成形设备中，并向成形室中充入氩气，成形腔室加热到172℃；
(3)送粉装置将混合粉末送至成形缸上，多余的粉末送至收粉缸内；
(4)于激光扫描速度为2500mm/s、输出功率为21W、铺粉层厚为90μm的条件下使混合粉体在选区激光烧结成形设备中成形，得到单层复合材料。
B、叠加多层复合材料
在按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成第一层复合材料后，下降工作平面90μm，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，第二层复合材料的混合粉末在激光烧结的同时与第一层复合材料粘接；按预设层数依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物。
所得到的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的实物图如图1所示，该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的表面精度达到Ra 4.0，尺寸精度达到±0.1mm，拉伸强度为45MPa，拉伸模量为4300MPa。
实施例2
本实施例提供一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物由500层单层复合材料叠加而成，单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得，其中，过渡金属二硼化物为ZrB2。
其制备方法包括：
A、制备单层复合材料
(1)将尼龙12粉末和ZrB2粉末按体积比为95:5在行星式球磨机中混合10小时后过筛备用，其中，尼龙12的平均粒径为20μm，ZrB2粉末的平均粒径为5μm；
(2)将所得混合粉末置在选区激光烧结成形设备中，并向成形室中充入氦气，成形腔室加热到168℃；
(3)送粉装置将混合粉末送至成形缸上，多余的粉末送至收粉缸内；
(4)于激光扫描速度为1500mm/s、输出功率为23W、铺粉层厚为60m的条件下使混合粉体在选区激光烧结成形设备中成形，得到单层复合材料。
B、叠加多层复合材料
在按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成第一层复合材料后，下降工作平面60μm，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，第二层复合材料的混合粉末在激光烧结的同时与第一层复合材料粘接；按预设层数(300层)依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物。
所得到的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的表面精度达到Ra3.5，尺寸精度达到±0.08mm，拉伸强度为43MPa，拉伸模量为4200MPa。
实施例3
本实施例提供一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物由250层单层复合材料叠加而成，单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得，其中，过渡金属二硼化物为HfB2、NbB2和TaB2以体积比为1:1：1混合而得。
其制备方法包括：
A、制备单层复合材料
(1)将尼龙12粉末和过渡金属二硼化物粉末按体积比为70:30在行星式球磨机中混合16小时后过筛备用，其中，尼龙12的平均粒径为60μm，HfB2粉末、NbB2粉末以及TaB2粉末的平均粒径均为30μm；
(2)将所得混合粉末置在选区激光烧结成形设备中，并向成形室中充入氩气，成形腔室加热到178℃；
(3)送粉装置将混合粉末送至成形缸上，多余的粉末送至收粉缸内；
(4)于激光扫描速度为3000mm/s、输出功率为25W、铺粉层厚为120μm的条件下使混合粉体在选区激光烧结成形设备中成形，得到单层复合材料。
B、叠加多层复合材料
在按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成第一层复合材料后，下降工作平面120μm，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，第二层复合材料的混合粉末在激光烧结的同时与第一层复合材料粘接；按预设层数(15层)依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物。
所得到的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的表面精度达到Ra5.0，尺寸精度达到±0.15mm，拉伸强度为50MPa，拉伸模量为4600MPa。
实施例4
本实施例提供一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物与实施例1的区别在于：该尼龙12-过渡金属二硼化物复合物仅由1层单层复合材料形成。
对比例1
以实施例1为例，设置对照组1，其中，对照组1与实施例1的区别在于：制备原料仅为尼龙12。对照组1的原料的用量以及所有的制备方法和参数均与实施例1相同，比较采用相同方法制备而得的实物的拉伸强度和拉伸模量，其结果如表1所示。
表1对比结果
由表1可以看出，将过渡金属二硼化物与尼龙12配合作为原料制备得到的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物能够较单独采用尼龙12为材料制得的实物具有更优异的拉伸强度和拉伸模量。
对比例2
以实施例1为例，设置对照组2，其中，对照组2与实施例1的区别在于：制备方法采用FDM技术。对照组2所用原料与实施例1相同，比较采用不同方法制备而得的实物的拉伸强度和拉伸模量，其结果如表2所示。
表2对比结果
| 拉伸强度(MPa) | 拉伸模量(MPa) | |
| 实施例1 | 45 | 4300 |
| 对照组2 | 30 | 3200 |
由表2可以看出，采用本申请提供的选区激光烧结技术制备得到的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物能够较采用FDM制得的实物具有更优异的拉伸强度和拉伸模量。
综上，本申请提供的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物具有优良的力学性能，变形收缩小，尺寸精度高，适用于制备医疗辅具和/或手板模型等。其成形方法为选区激光烧结成形方法，该方法简单，操作容易，效率高。
以上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。
Claims (5)
1.一种尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，其特征在于，所述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物包括至少一层单层复合材料；所述单层复合材料由过渡金属二硼化物及尼龙12共同形成的混合粉末经激光烧结而得；所述过渡金属二硼化物包括TiB2、ZrB2、HfB2、NbB2和TaB2中的至少一种；
当所述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物包括多层所述单层复合材料时，相邻两层的所述单层复合材料的相对的两个表面互相粘接；
所述混合粉末中所述过渡金属二硼化物的体积百分数为5-30％；
所述尼龙12的平均粒径为20-60μm，所述过渡金属二硼化物的平均粒径为5-30μm；
所述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法包括：
制备单层复合材料：将过渡金属二硼化物与尼龙12共同形成的混合粉末置于选区激光烧结成形设备中，向所述选区激光烧结成形设备的成型室中充入保护性气氛并预热所述成型室；激光烧结位于所述选区激光烧结成形设备的成形缸内的所述混合粉末，得单层复合材料；
按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成所述第一层复合材料后，下降工作平面，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，所述第二层复合材料的所述混合粉末在激光烧结的同时与所述第一层复合材料粘接；按预设层数依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物；
预热的温度为168-178℃；
激光烧结的条件包括：激光扫描速度为2500-3000mm/s，激光输出功率为21-23W，铺粉层厚为60-120μm。
2.根据权利要求1所述的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物，其特征在于，所述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的拉伸强度为42-50MPa，和/或所述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的拉伸模量为4000-4600MPa。
3.如权利要求1或2所述的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备单层复合材料：将过渡金属二硼化物与尼龙12共同形成的混合粉末置于选区激光烧结成形设备中，向所述选区激光烧结成形设备的成型室中充入保护性气氛并预热所述成型室；激光烧结位于所述选区激光烧结成形设备的成形缸内的所述混合粉末，得单层复合材料；
按单层复合材料的制备方法制备第一层复合材料，形成所述第一层复合材料后，下降工作平面，按单层复合材料的制备方法制备第二层复合材料，所述第二层复合材料的所述混合粉末在激光烧结的同时与所述第一层复合材料粘接；按预设层数依次制备并叠加剩余层数的复合材料，得尼龙12-过渡金属二硼化物复合物；
预热的温度为168-178℃；
激光烧结的条件包括：激光扫描速度为2500-3000mm/s，激光输出功率为21-23W，铺粉层厚为60-120μm。
4.根据权利要求3所述的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的成形方法，其特征在于，所述保护性气氛包括氩气或氦气。
5.如权利要求1或2所述的尼龙12-过渡金属二硼化物复合物的应用，其特征在于，所述尼龙12-过渡金属二硼化物复合物用于制备医疗辅具和/或手板模型；
所述医疗辅具包括手术模型、矫形或假肢。
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| Title |
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| 选择性激光烧结尼龙12/碳酸钙复合材料的成型工艺;赵松 等;《工程塑料应用》;20170131;第45卷(第1期);第61页右栏-第62页左栏第1段，第62页第1.2-1.3节，第63页图1-3，第64页第3节 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109608871A (zh) | 2019-04-12 |
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