CN110434337A - 一种3d打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,S1通过3D金属激光烧结技术制备具有不同微观形貌的金属表面;S2利用表面化学反应处理技术对具有不同表面微观形貌的金属表面进行处理,得到具有不同表面化学组成和表面粗糙度的金属功能表面。本发明通过3D金属激光烧结技术与表面化学反应处理技术共同制备金属功能表面,得到具有不同表面化学组成、表面粗糙度和表面几何形貌的金属表面。另外,金属表面化学组成、表面粗糙度和表面几何形貌呈连续性单调变化,其表面接触角在150°±15°~10°±5°范围内呈梯度变化。

Description

一种3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法
技术领域
本发明属于技术表面处理技术,具体涉及一种3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法。
背景技术
仿生智能材料是依据仿生学原理,模仿生物各种特点或特性,通过结构仿生和功能仿生而制备的,具有感知、响应和特殊功能能力的新材料。金属作为一种重要的功能材料广泛应用于各种工程领域,制备分子、纳米、微米等结构的多尺度有序结构金属表面是实现仿生智能金属材料表面的内在要求。目前,仿生智能金属材料表面主要通过调控金属表面化学组成和构建金属表面微观形貌制备。
现有技术方法通过在金属表面微观形貌的基础上调控其表面化学组成或在一定表面化学组成的基础上构建其表面形貌或两种方式同时使用;但金属表面微观形貌的构建方法相对复杂,难以实现金属表面微观形貌的有效控制。此外,随着金属表面微观形貌的变化,进行表面化学组成的调控也不易实现。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种金属表面微观形貌构建和表面化学组成调控的简单、易行的制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,包括以下步骤:
S1利用三维建模软件和制图软件创建具有几何图形表面微观形貌的金属表面三维模型,获得模型三维数据;得到三维数据后对其进行处理,将获得的3D打印工艺文件用于快速成型打印设备完成具有几何图形表面微观形貌的金属材料的制备。
S2将步骤S1获得的金属表面置于容器中,滴加溶液C,保证在10~60分钟滴加完毕时,使金属片表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能金属表面;将预功能金属表面在加热的蒸馏水中清洗后干燥,得到金属功能表面;将该金属功能表面在60~150℃蒸馏水中加热1~4h。
进一步地,所述步骤S1中快速成型打印设备为3D金属激光烧结打印设备。
进一步地,所述步骤S1中对三维数据进行处理采用以下方法实现:首先,将来自软件的数据格式转化成适合3D打印工艺文件生成的STL数据格式;其次,对STL数据进行检查和错误分析;然后,根据金属样品要求对打印耗材用量和样品尺寸进行预估;最后,对STL文件进行编辑处理,获得3D打印工艺文件。
进一步地,所述步骤S2中在将步骤S1获得的金属表面置于容器之前,还包括以下步骤:将步骤S1中得到的金属表面置于清洗液中,浸泡清洗10~40分钟,得到干净金属表面。
进一步地,所述清洗液为丙酮、乙醇、盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或蒸馏水中的一种或一种以上。
进一步地,所述步骤S2中所述溶液C是由1~50份的碱性溶液A、0~30份的氧化性溶液B与10~80份的蒸馏水混合搅拌均匀后制备而成;其中所述碱性溶液A和氧化性溶液B的浓度均为0.01mol/L~10mol/L。
进一步地,所述碱性溶液A为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液中的一种或一种以上;所述氧化性溶液B为过硫酸铵溶液、过硫酸钾溶液、过硫酸钠溶液、氟化氢溶液、氟化铵溶液或过氧化氢溶液中的一种或一种以上。
进一步地,所述步骤S2中加热的蒸馏水的温度为60~150℃蒸馏水中加热1~4h。
进一步地,所述步骤S2中干燥的温度为20℃~80℃。
进一步地,所述金属为金、银、铜、钴铬合金、不锈钢、镍合金、铝合金、钛合金中的一种或一种以上。
进一步地,所述几何图形为三边形、四边形、五边形、六边形、平整表面和半球形中的一种或一种以上。
本发明还提供由上述制备方法制备的金属功能表面,其表面化学组成、表面粗糙度和表面几何形貌连续性单调变化。
进一步地,所述表面几何形貌连续性单调变化为表面接触角在150°±15°~10°±5°范围内呈梯度变化。
本发明中表面化学组成是指金属及其金属氧化物及金属氢氧化物,金表面指金及金的氧化物及金的氢氧化物、银表面指银及银的氧化物及银的氢氧化物、铜表面指铜及铜的氧化物及铜的氢氧化物、钴铬合金表面指钴铬合金及钴铬合金氧化物及钴铬合金氢氧化物、不锈钢表面指不锈钢及不锈钢氧化物及不锈钢氢氧化物、镍合金表面指镍合金及镍合金氧化物及镍合金氢氧化物、铝合金表面指铝合金及铝合金氧化物及铝合金氢氧化物、钛合金表面指钛合金及钛合金氧化物及钛合金氢氧化物。本发明中表面几何形貌连续性单调变化是指金属表面几何形貌呈现由简单到复杂的连续性变化,其变化由图1所示。
本发明的有益效果:本发明通过3D金属激光烧结技术与表面化学反应处理技术共同制备金属功能表面,得到具有不同表面化学组成、表面粗糙度和表面几何形貌的金属表面。另外,金属表面化学组成、表面粗糙度和表面几何形貌呈连续性单调变化,其表面接触角在150°±15°~10°±5°范围内呈梯度变化。
附图说明
图1为金属表面几何形貌连续性单调变化示意图。
图2为表面三边形排列的铜基材料示意图。
图3为表面四边形排列的银基材料示意图。
图4为表面五边形排列的金基材料示意图。
图5为表面六边形排列的铝合金基材料示意图。
图6为表面半球形排列的不锈钢基材料示意图。
图7为表面平整表面的镍合金基材料示意图。
具体实施方式
为了更加简洁明了的展示本发明的技术方案、目的和优点,下面结合具体实施例及其附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1表面三边形排列的铜基材料
第一步,利用三维建模软件及CAD(Computer-Aided Design,计算机辅助设计)工作站创建具有三边形表面微观形貌的铜基表面三边形排列的三维模型,获得模型三维数据和3D打印工艺文件:首先,将来自软件的数据格式转化成适合3D打印工艺文件生成的STL数据格式;其次,对STL数据进行检查和错误分析;然后,根据金属样品要求对打印耗材用量和样品尺寸进行预估;最后,对STL文件进行编辑处理,获得3D打印工艺文件。选择3D金属激光烧结打印设备完成铜基表面三边形排列的金属材料制备。
第二步,将第一步得到的铜基表面置于丙酮中,浸泡清洗15分钟,得到干净铜基表面;
第三步,将浓度为1mol/L氢氧化钠溶液10克,1mol/L过硫酸铵溶液10克和蒸馏水15克混合后,以15转/分钟的转速搅拌7分钟,得到溶液C;
第四步,将第二步得到的干净铜基表面竖直放置于敞口容器中,并向容器中逐渐滴加溶液C,保证在30分钟滴加完毕时,干净铜基表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能表面;
第五步,将第四步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后,在50℃下干燥,干燥后,完成铜基功能表面的制备,铜基表面表面化学组成、表面粗糙度连续性单调变化;得到的铜基功能表面在90℃的蒸馏水中加热2h后,表面化学组成、表面粗糙度未呈明显改变,该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例2表面四边形排列的银基材料
第一步,利用三维建模软件及CAD(Computer-Aided Design,计算机辅助设计)工作站创建具有不同表面微观形貌的银基表面四边形排列的三维模型,获得模型三维数据和3D打印工艺文件,选择3D金属激光烧结打印设备完成银基表面四边形排列的金属材料制备。
第二步,将第一步得到的银基表面分别置于丙酮和乙醇中,依次浸泡清洗10分钟,共20分钟,得到干净银基表面;
第三步,将浓度为0.1mol/L氢氧化钾溶液5克,0.01mol/L过硫酸钠溶液2克和蒸馏水10克混合后,以10转/分钟的转速搅拌5分钟,得到溶液C;
第四步,将第二步得到的干净银基表面竖直放置于敞口容器中,并向容器中逐渐滴加溶液C,保证在10分钟滴加完毕时,干净银基表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能表面;
第五步,将第四步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后,在40℃下干燥,干燥后,完成银基功能表面的制备,银基表面表面化学组成、表面粗糙度连续性单调变化;得到的银基功能表面在80℃的蒸馏水中加热1h后,表面化学组成、表面粗糙度未呈明显改变,该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例3表面五边形排列的金基材料
第一步,利用三维建模软件及CAD(Computer-Aided Design,计算机辅助设计)工作站创建具有不同表面微观形貌的金基表面五边形排列的三维模型,获得模型三维数据和3D打印工艺文件,选择3D金属激光烧结打印设备完成金基表面五边形排列的金属材料制备。
第二步,将第一步得到的金基表面分别置于乙醇和蒸馏水中,依次浸泡清洗12分钟,共24分钟,得到干净金基表面;
第三步,将浓度为3mol/L氢氧化钾溶液4克和浓度为5mol/L碳酸氢钠溶液9克,4mol/L过硫酸钾溶液3.5克和蒸馏水27克混合后,以14转/分钟的转速搅拌6分钟,得到溶液C;
第四步,将第二步得到的干净金基表面竖直放置于敞口容器中,并向容器中逐渐滴加溶液C,保证在36分钟滴加完毕时,干净金基表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能表面;
第五步,将第四步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗2次后,在42℃下干燥,干燥后,完成金基功能表面的制备,金基表面表面化学组成、表面粗糙度连续性单调变化;得到的金基功能表面在100℃的蒸馏水中加热4h后,表面化学组成、表面粗糙度未呈明显改变,该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例4表面六边形排列的铝合金基材料
第一步,利用三维建模软件及CAD(Computer-Aided Design,计算机辅助设计)工作站创建具有不同表面微观形貌的铝合金基表面六边形排列的三维模型,获得模型三维数据和3D打印工艺文件,选择3D金属激光烧结打印设备完成铝合金基表面六边形排列的金属材料制备。
第二步,将第一步得到的铝合金基表面分别置于丙酮和蒸馏水中,依次浸泡清洗7分钟,共14分钟,得到干净铝合金基表面;
第三步,将浓度为7mol/L氢氧化钠溶液5克和浓度为6mol/L氢氧化钙溶液6克,蒸馏水20克混合后,以17转/分钟的转速搅拌8分钟,得到溶液C;
第四步,将第二步得到的干净铝合金基表面竖直放置于敞口容器中,并向容器中逐渐滴加溶液C,保证在32分钟滴加完毕时,干净铝合金基表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能表面;
第五步,将第四步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后,在56℃下干燥,干燥后,完成铝合金基功能表面的制备,铝合金基表面表面化学组成、表面粗糙度连续性单调变化;得到的铝合金基功能表面在85℃的蒸馏水中加热1.5h后,表面化学组成、表面粗糙度未呈明显改变,该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例5表面半球形排列的不锈钢基材料
第一步,利用三维建模软件及CAD(Computer-Aided Design,计算机辅助设计)工作站创建具有不同表面微观形貌的不锈钢基表面半球形排列的三维模型,获得模型三维数据和3D打印工艺文件,选择3D金属激光烧结打印设备完成不锈钢基表面半球形排列的金属材料制备。
第二步,将第一步得到的不锈钢基表面分别置于丙酮和乙醇中,依次浸泡清洗6分钟,共12分钟,得到干净不锈钢基表面;
第三步,将浓度为9mol/L氢氧化钠溶液7克,4mol/L过硫酸钠溶液4克和蒸馏水24克混合后,以13转/分钟的转速搅拌6分钟,得到溶液C;
第四步,将第二步得到的干净不锈钢基表面竖直放置于敞口容器中,并向容器中逐渐滴加溶液C,保证在17分钟滴加完毕时,干净不锈钢基表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能表面;
第五步,将第四步得到的预功能表面置于蒸馏水中清洗3次后,在53℃下干燥,干燥后,完成不锈钢基功能表面的制备,不锈钢基表面表面化学组成、表面粗糙度连续性单调变化;得到的不锈钢基功能表面在95℃的蒸馏水中加热2.5h后,表面化学组成、表面粗糙度未呈明显改变,该功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
实施例6平整表面的镍合金基材料
本实施例采用实施例1的制备方法,其中与实施例1的不同之处在于本实施例采用镍合金材料,表面为平整表面。
实施例7表面三边形排列的铝合金基材料
本实施例采用实施例1的制备方法,其中与实施例1的不同之处在于本实施例采用铝合金材料。
实施例8表面三边形排列的钛合金基材料
本实施例采用实施例1的制备方法,其中与实施例1的不同之处在于本实施例采用铝合金材料。
实施例9
本实施例与实施例1的唯一区别在于本实施例的清洗液采用盐酸和硝酸。
实施例10
本实施例与实施例1的唯一区别在于本实施例的清洗液采用硫酸和磷酸。
实施例11
本实施例与实施例1的唯一区别在于本实施例的碱性溶液A为碳酸钾和碳酸氢钾;氧化性溶液B为过硫酸钾。
实施例12
本实施例与实施例1的唯一区别在于本实施例的碱性溶液A为碳酸钠和碳酸氢钠;氧化性溶液B为氟化铵。
将实施例6~12制备的金属功能表面在150℃的蒸馏水中加热2h后,表面化学组成、表面粗糙度未呈明显改变,实施例6~12制备的金属功能表面具有良好的耐水性和耐热性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1利用三维建模软件和制图软件创建具有几何图形表面微观形貌的金属表面三维模型,获得模型三维数据;得到三维数据后对其进行处理,将获得的3D打印工艺文件用于快速成型打印设备完成具有几何图形表面微观形貌的金属材料的制备;
S2将步骤S1获得的金属表面置于容器中,滴加溶液C,保证在10~60分钟滴加完毕时,使金属片表面上沿刚好被溶液C完全浸润,得到预功能金属表面;将预功能金属表面在加热的蒸馏水中清洗后干燥,得到金属功能表面;将该金属功能表面在60~150℃蒸馏水中加热1~4h。
2.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中快速成型打印设备为3D金属激光烧结打印设备。
3.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中对三维数据进行处理采用以下方法实现:首先,将来自软件的数据格式转化成适合3D打印工艺文件生成的STL数据格式;其次,对STL数据进行检查和错误分析;然后,根据金属样品要求对打印耗材用量和样品尺寸进行预估;最后,对STL文件进行编辑处理,获得3D打印工艺文件。
4.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中在将步骤S1获得的金属表面置于容器之前,还包括以下步骤:将步骤S1中得到的金属表面置于清洗液中,浸泡清洗10~40分钟,得到干净金属表面;所述清洗液为丙酮、乙醇、盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或蒸馏水中的一种或一种以上。
5.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中所述溶液C是由1~50份的碱性溶液A、0~30份的氧化性溶液B与10~80份的蒸馏水混合搅拌均匀后制备而成;其中所述碱性溶液A和氧化性溶液B的浓度均为0.01mol/L~10mol/L。
6.如权利要求5所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述碱性溶液A为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液中的一种或一种以上;所述氧化性溶液B为过硫酸铵溶液、过硫酸钾溶液、过硫酸钠溶液、氟化氢溶液、氟化铵溶液或过氧化氢溶液中的一种或一种以上。
7.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中加热的蒸馏水的温度为60~150℃蒸馏水中加热1~4h;进一步地,所述步骤S2中干燥的温度为20℃~80℃。
8.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述金属为金、银、铜、钴铬合金、不锈钢、镍合金、铝合金、钛合金中的一种或一种以上。
9.如权利要求1所述的3D打印制备仿生智能金属材料表面的制备方法,其特征在于,所述几何图形为三边形、四边形、五边形、六边形、平整表面和半球形中的一种或一种以上。
10.一种如权利要求1所述的制备方法制备的金属功能表面,其特征在于,其表面化学组成、表面粗糙度和表面几何形貌连续性单调变化;所述表面几何形貌连续性单调变化为表面接触角在150°±15°~10°±5°范围内呈梯度变化。
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