CN112829283A - 一种梯度材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度材料及其制备方法，梯度材料的制备方法，包括以下步骤：(1)铺设并压实基体粉末，对所述基体粉末预热，所述预热的温度低于所述基体粉末的熔点；(2)取增强相材料制备形成增强相墨水，使用喷头将所述增强相墨水喷墨打印至所述基体粉末上，形成单层喷墨粉层，并烧结成型；(3)重复步骤(1)和(2)，层层堆叠，制备出梯度材料；在重复过程中，所述增强相墨水的喷墨量在所述单层喷墨粉层中沿所述喷墨打印的打印移动方向递增或递减，或者所述增强相墨水的喷墨量沿所述梯度材料的厚度方向逐层递增或递减。本发明提供的制备方法通过控制增强相墨水的喷墨打印量即可实现梯度的制备，制备方式简单，制备效率高。

Description

一种梯度材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种梯度材料及其制备方法。
背景技术
梯度材料是一种新型材料，通过材料内部成分或结构呈现梯度分布，使材料的性能也呈特定的梯度变化，满足制件的特殊性能需求，适应多重复杂的工作环境。
传统的梯度材料的制备主要通过气相沉积、粉末冶金、离心浇铸等方法。由于需要经过复杂的加工及装配过程，这些传统制备梯度材料的方法耗时长、成本高。增材制造技术，又被称为3D打印技术，不同于传统加工制备技术，它能在不使用模具的情况下快速地生产制件，已广泛地被应用在航空航天、医疗、建筑、原型开发等领域。现有采用3D打印制备梯度材料时，通常需要配置不同浓度梯度的材料，制备过程较为繁琐、费时。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种梯度材料的制备方法，不需要专门配置不同浓度的溶液，制备过程简单能够快速制备得到梯度材料。
本发明还提出一种利用上述制备方法制得的梯度材料。
本发明的第一方面，提供一种梯度材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)铺设并压实基体粉末，对所述基体粉末预热，所述预热的温度低于所述基体粉末的熔点；
(2)取增强相材料制备形成增强相墨水，使用喷头将所述增强相墨水喷墨打印至所述基体粉末上，形成单层喷墨粉层，并烧结成型；
(3)重复步骤(1)和(2)，层层堆叠，制备出梯度材料；在重复过程中，所述增强相墨水的喷墨量在所述单层喷墨粉层中沿所述喷墨打印的喷头移动方向递增或递减，或者沿所述梯度材料的厚度方向逐层递增或递减。
上述的“喷头移动方向”是指在制备单层喷墨粉层时，喷头沿着基体粉末进行增强相墨水喷墨的移动方向。
在制备单层喷墨粉层时，增强相墨水的溶剂蒸发，溶质均匀铺在基体粉末形成的粉层表面，在100μs内完成溶质渗入，制备过程非常迅速。且由于溶剂蒸发，喷墨的饱和量远大于粉床自身的孔隙。后续烧结成型时，加热熔池形成的局部流动，使得增强相材料能够与基体粉末较均匀地混合，从而使得制备形成的单层喷墨粉层性能均匀，进而保证最终梯度材料具有较好的性能。
根据本发明实施例的梯度材料的制备方法，至少具有如下有益效果：
本发明实施例提供了一种基于喷墨烧结技术制备梯度材料的方法，通过调整增强相墨水的喷墨量在单层喷墨粉层中递增或递减，实现了横向梯度材料的制备，通过在逐层制备材料时调整增强相墨水的喷墨量在材料厚度方向上递增或递减，实现了纵向梯度材料的制备。本发明实施例通过在基体粉末形成的粉层上有选择性地喷射增强相墨水，提高了被喷射墨水的基体粉末在烧结成型过程中对加热源的吸收率，使被喷墨的粉末在热源如红外的照射下短时间内升温进而烧结成型，而未被喷墨的粉末保持原始状态，以此方式层层堆叠，最终快速制备出复杂形状的梯度材料，梯度材料中增强相材料含量低的区域强度一般，增强相材料含量高的区域强度极好，能够用于预测材料失效破坏的过程，适应多重复杂的工作环境，能够作为高强度材料与低强度材料的性能过渡层，减缓应力集中。相较于其他制备方式，本发明实施例提供的制备方法通过控制增强相墨水的喷墨打印量即可实现梯度的制备，制备方式简单，制备效率高。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，所述基体粉末的熔点与所述预热的温度之间的温度差范围为5～50℃。烧结成型时烧结温度接近于基体粉末材料的熔点，以便于进行熔融烧结成型，预热时的温度要低于烧结温度，具体温度取决于基体粉末材料的种类，预热的温度一般低于基体粉末材料的熔点，预热的温度为熔点以下5～50℃，在一些实施例中为熔点以下20～40℃。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，所述基体粉末的材料选自热塑性高分子、金属、合金中的至少一种。其中尼龙12(Nylon 12/Polyamide 12，PA12)是使用较普遍的一种材料。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，所述增强相材料为吸热材料。增强相材料的引入使得基体材料获得了原材料没有的新特性，并且增强相的吸热性能能够提高基体粉末对加热源的吸收率，利于喷墨粉层在热源的施加下短时间内升温进而烧结成型。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，所述增强相材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒中的至少一种。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，使用红外热源进行烧结成型。进行烧结成型的外热源包含但不限于红外热源(如使用波长约为6μm，波数1600cm-1左右的中红外波段的红外光)。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，所述基体粉末的粒径为0.01μm～1mm。
进一步根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，所述基体粉末的粒径为0.1μm～500μm。
根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，单层喷墨粉层的厚度为0.1μm～1mm。
进一步根据本发明的一些实施例的梯度材料的制备方法，单层喷墨粉层的厚度为20μm～500μm。
本发明的第二方面，提供一种梯度材料，根据上述的梯度材料的制备方法制得。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例通过喷墨烧结技术制备横向梯度材料的过程示意图；
图2为本发明实施例制备的横向梯度材料和纵向梯度材料的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，图1示出了本发明实施例制备横向梯度材料的过程示意图，包括以下步骤：
(1)先在打印平面上铺设并压实一层基体粉末(标记为组分A)，具体可以通过铺粉辊、料斗或刮刀等方式进行铺粉，并在铺粉的过程中具有一定的压实。对基体粉末形成的粉层进行预热，预热的温度低于基体粉末材料的熔点，一般低于材料熔点5～50℃。
(2)在粉层上方控制喷头单向移动并控制喷墨量，增强相(标记为组分B)形成的增强相墨水靠近并接触高温的粉层时，增强相墨水中的溶剂受热蒸发，作为溶质的组分B则渗入基体粉末的粉末微粒之间，成为基体粉末的增强相，形成了单层喷墨粉层。由于喷墨墨滴的尺寸小，其直径略小于粉末颗粒，墨滴对粉层的冲击基本不会造成粉层坑洼，即使形成小的坑洼也会被后续熔池自身的流动所消除。在制备单层喷墨粉层的过程中，喷墨量将随喷头的打印移动方向呈梯度增多或减少，如图1中沿从左到右的打印移动方向递减，使渗入的组分B含量呈梯度变化，从而实现最终制件中组分B的梯度变化。
通过热源加热被喷墨的单层喷墨粉层，升温至接近熔点并烧结成型，以此完成单层烧结成型。在烧结过程中，粉末颗粒的外层熔融，形成熔池，由于熔池自身的局部流动作用，粉层表面组分B会更为均匀地与基体粉末A混合。
(3)重复步骤(1)和(2)，即在上一层烧结后的单层喷墨粉层上依次铺粉、喷墨和烧结成型，层层堆叠，最终形成如图2中a所示的横向梯度材料。
类似地，通过控制粉末层间喷墨量的梯度变化即控制增强相墨水的喷墨量沿梯度材料的厚度方向逐层递增或递减，如在第一次粉层上喷墨5倍墨量的墨水，在第二层粉层上喷墨4倍墨量的墨水，……，在第五层粉层上喷墨1倍墨量的墨水，烧结成型后形成如图2中b所示的纵向梯度材料。
本发明实施例利用喷墨技术制备的梯度材料，梯度变化量比通过其它方法制得的梯度材料更小，能够通过控制喷墨量实现组分渐变的效果，从而使得梯度层间性质更为均匀，更不容易发生应力集中及高载荷下的材料分层现象。
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种尼龙12-炭黑纵向梯度材料，按照以下步骤制备：
建立待制备的尼龙12基纵向梯度材料的三维模型，对三维模型进行切片分层，得到各个截面的数据并将数据导入喷墨打印设备；
在喷墨打印设备上设置制件的工艺参数，使喷墨量在逐层打印过程中呈梯度变化，从而使最终制备的零件内炭黑含量沿纵向方向(即厚度方向)梯度变化，单位梯度即铺粉厚度为0.08mm；
按上步骤的铺粉方式铺设平均粒径为0.056mm的尼龙12粉末，预热至150℃，然后逐层铺粉并喷墨，喷墨量逐层梯度变化，加热至约180℃烧结成型，以此完成单层的加工。层层堆叠，最终制备尼龙12-炭黑纵向梯度复合材料。
实施例2
本实施例提供一种聚丙烯-炭黑横向梯度材料，按照以下步骤制备：
建立待制备的聚丙烯基横向梯度材料的三维模型，对三维模型进行切片分层，得到各个截面的数据并将导入喷墨打印设备；
在喷墨打印设备上设置制件的工艺参数，使喷墨量在单层打印过程中梯度变化，从而使最终制备的零件内炭黑含量沿水平方向(即横向方向)的梯度变化，铺粉厚度为0.08mm；
按上步骤所述铺粉方式铺设平均粒径为0.05mm的聚丙烯粉末，预热至120℃，然后逐层铺粉并在同一层内喷墨，喷墨量在单层的喷墨过程中梯度变化，加热到约160℃烧结成型，以此完成单层的加工。层层堆叠，制备聚丙烯-炭黑横向梯度复合材料。
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本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。

Claims (10)

1.一种梯度材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)铺设并压实基体粉末，对所述基体粉末预热，所述预热的温度低于所述基体粉末的熔点；
(2)取增强相材料制备形成增强相墨水，使用喷头将所述增强相墨水喷墨打印至所述基体粉末上，形成单层喷墨粉层，并烧结成型；
(3)重复步骤(1)和(2)，层层堆叠，制备出梯度材料；在重复过程中，所述增强相墨水的喷墨量在所述单层喷墨粉层中沿所述喷墨打印的喷头移动方向递增或递减，或者所述增强相墨水的喷墨量沿所述梯度材料的厚度方向逐层递增或递减。
2.根据权利要求1所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，所述基体粉末的熔点与所述预热的温度之间的温度差范围为5～50℃，优选为20～40℃。
3.根据权利要求1所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，所述基体粉末的材料选自热塑性高分子、金属、合金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，所述增强相材料为吸热材料。
5.根据权利要求4所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，所述增强相材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒中的至少一种。
6.根据权利要求1至5任一项所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，使用红外热源进行烧结成型。
7.根据权利要求1至5任一项所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，所述基体粉末的粒径为0.01μm～1mm。
8.根据权利要求1至5任一项所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，单层喷墨粉层的厚度为0.1μm～1mm。
9.根据权利要求8所述的梯度材料的制备方法，其特征在于，单层喷墨粉层的厚度为20μm～500μm。
10.一种梯度材料，其特征在于，根据权利要求1至9任一项所述的梯度材料的制备方法制得。
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