CN117774301B - 一种三明治结构状复合材料及其3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种三明治结构状复合材料及其3D打印方法。该方法包括：(1)对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件；(2)将浆料I和浆料II置于共挤出装置中进行第二打印处理，得到所述三明治结构状复合材料。本发明提供的方法实现了微米级双面电极涂敷，有效避免了多喷头打印时喷头难以高精度定位的问题，且极大减少了电极浆料的用量。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种三明治结构状复合材料及其3D打印方法。
背景技术
目前，多材料的增材制造技术(Additive Manufacturing)(也被称为3D打印技术)越来越受到人们的关注。多材料的3D打印技术不仅可以制备复合材料、提升材料的性能、实现功能材料的选择性沉积，而且可以大大提高样件功能的可设计性和打印样件的实用价值。
随着可打印材料体系的发展，3D打印技术也逐渐从喷墨式打印发展至挤出式打印、光固化式打印等多种打印方式。
光固化式3D打印技术具有精确度高、成型快速的优点。然而，光固化式3D打印技术的成本高、可打印材料范围小。并且，对于多材料的打印需要经历多个材料转化过程，使得设备成本高、技术难度大，极大限制了光固化式3D打印技术的发展。
相对于光固化式3D打印技术，挤出式3D打印技术借助多喷头的相互切换，可以快速实现不同材料的沉积成型，具有可打印的材料范围广、设备成本低等优势。然而，基于多喷头的多材料的打印，产品的精确度受限于喷头内径(≥200μm)，成型过程中需要高精确度的定位，这增大了挤出式3D打印技术制备高精度复杂结构构件的难度。
Lewis等(M.A.Skylar-Scott,J.Mueller,C.W.Visser,et al.Voxelated softmatter via multimaterial multinozzle 3D printing[J].Nature,2019,575(7782):330-335.)公开了通过单喷嘴头实现了可多材料快速切换的体素级的挤出式3D打印技术方法，该方法减小了高精度定位难度，节省了频繁切换针头的时间，且大大提高了多材料的打印效率。但是，该方法在同一时间内仅能挤出一种材料，不能实现多个材料的同时挤出。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的多喷头打印时喷头难以高精度定位的问题，以及克服多材料打印成本高且可打印材料范围小的缺陷。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种三明治结构状复合材料的3D打印方法，该方法包括以下步骤：
(1)对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件；所述第一打印处理为根据切片模型进行，且所述第一打印处理的条件至少满足：所述切片模型的厚度为20-50μm，曝光时间为1-4s；
(2)将浆料I和浆料II置于共挤出装置中进行第二打印处理，得到所述三明治结构状复合材料；在25℃下，所述浆料I的粘度为900-3000Pa·s；在25℃下，所述浆料II的粘度为200-1200Pa·s；所述第二打印处理的条件至少满足：挤出压力为10-50psi；
所述共挤出装置包括共挤出组件；所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道、第二锥状进料通道和第三锥状进料通道，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为20°-70°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.1-0.5；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为1-2；
所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述锥状进料通道的挤出压力为10-50psi。
本发明的第二方面提供由本发明第一方面所述的方法制备得到的三明治结构状复合材料。
本发明提供的方法至少还具有以下的有益效果：
(1)本发明提供的方法能够有效解决多喷头打印时喷头难以高精度定位的问题。
(2)本发明提供的方法能够实现微米级双面电极涂敷。
(3)本发明提供的方法可打印材料范围大且打印成本低。
附图说明
图1是本发明实施例1中所得共挤出组件的结构示意图；
图2是本发明实施例1中共挤出装置的结构示意图；
图3是本发明实施例1所得三明治结构状复合材料的实物图；
图4是本发明实施例2所得三明治结构状复合材料的实物图；
图5是本发明实施例4所得三明治结构状复合材料的实物图；
图6是对比例1所得材料的实物图；
图7是对比例2所得材料的实物图；
图8是对比例3所得材料的实物图；
图9是对比例4所得材料的实物图；
图10是对比例5所得材料的实物图；
图11是对比例6所得材料的实物图；
图12是本发明实施例1中本发明实施例1所述CAD文件I中设计模型的三视图；
图13是本发明实施例在所述JR C-Points I软件中输入的所述坐标信息的截图。
附图标记说明
θ、任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角
a、第一锥状进料通道
b、第二锥状进料通道
c、第三锥状进料通道
d、柱状出料喷嘴
e、第一针筒
f、第二针筒
k、第三针筒
1、共挤出组件
2、针筒组件
3、夹具组件
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中，所述锥状进料通道的锥度为圆锥体底面圆直径与圆锥体高度的比值；所述锥状进料通道的中心线为同时通过圆锥体底面圆心和圆锥体锥顶顶点的直线。
如前所述，本发明的第一方面提供了一种三明治结构状复合材料的3D打印方法，该方法包括以下步骤：
(1)对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件；所述第一打印处理为根据切片模型进行，且所述第一打印处理的条件至少满足：所述切片模型的厚度为20-50μm，曝光时间为1-4s；
(2)将浆料I和浆料II置于共挤出装置中进行第二打印处理，得到所述三明治结构状复合材料；在25℃下，所述浆料I的粘度为900-3000Pa·s；在25℃下，所述浆料II的粘度为200-1200Pa·s；
所述共挤出装置包括共挤出组件；所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道、第二锥状进料通道和第三锥状进料通道，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为20°-70°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.1-0.5；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为1-2；
所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述锥状进料通道的挤出压力为10-50psi。
优选情况下，所述浆料I选自浆料I-1、浆料I-2或浆料I-3。
在本发明中，对所述浆料I-1、所述浆料I-2、所述浆料I-3的来源没有特殊的要求，可以通过商购获得，也可以通过本发明结合现有技术领域内的已知知识确定合适的合成路线而制备获得。本发明在此不再赘述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。
进一步优选地，所述浆料II选自浆料II-1、浆料II-2、浆料II-3或浆料II-4。
在本发明中，对所述浆料II-1、所述浆料II-2、所述浆料II-3、所述浆料II-4的来源没有特殊的要求，可以通过商购获得，也可以通过本发明结合现有技术领域内的已知知识确定合适的合成路线而制备获得。本发明在此不再赘述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。
根据一种优选的具体实施方式，所述浆料I为浆料I-1，所述浆料II为浆料II-1或浆料II-2；且所述浆料I的用量为5-10g，所述浆料II的用量为3-4g。
根据一种优选的具体实施方式，所述浆料I为浆料I-2，所述浆料II为浆料II-3；且所述浆料I的用量为8g，所述浆料II的用量为2g。
根据一种优选的具体实施方式，所述浆料I为浆料I-3，所述浆料II为浆料II-4；且所述浆料I的用量为9g，所述浆料II的用量为6g。
优选地，在所述共挤出组件中，任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为30°-60°。
进一步优选地，在所述共挤出组件中，各个所述锥状进料通道的锥度为0.2-0.4。
优选情况下，在步骤(2)中，所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述第二锥状进料通道的挤出压力>通过所述第一锥状进料通道的挤出压力，且通过所述第二锥状进料通道的挤出压力>通过所述第三锥状进料通道的挤出压力。
优选地，在步骤(2)中，所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述第一锥状进料通道的挤出压力和通过所述第三锥状进料通道的挤出压力相等。
优选地，在步骤(2)中，所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述第二锥状进料通道的挤出压力为40-50psi，通过所述第一锥状进料通道的挤出压力和通过所述第三锥状进料通道的挤出压力均为10-25psi。
进一步优选地，在步骤(2)中，所述第二打印处理的条件至少满足：所述共挤出装置的移动速度为4-8mm/s。
更优选地，在步骤(2)中，所述第二打印处理的条件还包括：所述共挤出装置按照预定路径进行移动。
本发明对于所述预定路径的设计没有特别的限制，示例性地，所述预定路径为通过在JR C-Points I软件输入坐标信息进行设计。
优选地，该方法还包括：得到所述三明治结构状复合材料之前，对所述第二打印处理后的中间体进行后处理。
优选情况下，所述后处理包括固化处理或包括依次进行固化处理和烧结处理。
优选地，所述固化处理的条件至少满足：温度为120-135℃，时间为15-20min。
进一步优选地，所述烧结处理的条件至少满足：升温速率为4-5℃/min，温度为1200-1400℃，保温时间为2-3h。
优选地，在步骤(2)中，所述共挤出装置还包括针筒组件和夹具组件；所述针筒组件用于放置所述浆料I和所述浆料II；所述夹具组件用于固定所述针筒组件。
优选情况下，在所述共挤出装置中，所述针筒组件包括第一针筒、第二针筒、第三针筒。
优选地，在所述共挤出装置中，所述针筒组件连接点胶机。
优选情况下，采用所述点胶机分别调节通过所述第一针筒、所述第二针筒、所述第三针筒的压力，从而调节通过所述共挤出组件中所述第一锥状进料通道、所述第二锥状进料通道、所述第三锥状进料通道的挤出压力。
进一步优选地，在所述共挤出装置中，所述夹具组件将所述针筒组件固定在桌上型自动涂胶机上，且所述桌上型自动涂胶机与计算机连接。
更优选地，所述计算机中安装有JR C-Points I软件，且所述JR C-Points I软件用于控制所述第二打印处理的条件。
优选情况下，在步骤(1)中，所述第一打印处理为根据预设计的CAD文件进行；所述预设计的CAD文件为通过Auto CAD软件绘制所述共挤出组件模型的文件。
更优选地，所述第一打印处理在光固化打印机中进行。
进一步优选地，在所述第一打印处理中，所述切片模型为通过在光固化打印机中的Perfactory RP软件进行设计得到的。
优选地，在步骤(1)中，所述光固化树脂的热变形温度为130-150℃，弯曲强度为110-120MPa，拉伸强度为50-60MPa。
如前所述，本发明的第二方面由本发明第一方面所述的方法制备得到的三明治结构状复合材料。
以下结合图1和图2详细描述本发明提供的三明治结构状复合材料的3D打印方法的一种特别优选的具体实施方式，包括：
(1)根据预设计的CAD文件和切片模型，采用光固化打印机对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件1；所述第一打印处理的条件至少满足：所述切片模型I的厚度为20-50μm，曝光时间为1-4s；
如图1所示，所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道a、第二锥状进料通道b和第三锥状进料通道c，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为30°-60°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.2-0.4；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为1-2。
(2)将浆料I置于第二针筒f中，并将浆料II分成质量相同的两份，并分别置于第一针筒e和第三针筒k中；分别将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k对应安装至所述共挤出组件1的所述第一锥状进料通道a、所述第二锥状进料通道b、所述第三锥状进料通道c中；并通过夹具组件3将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k固定在桌上型自动涂胶机上，再将所述桌上型自动涂胶机与计算机连接；所述计算机中安装有JR C-Points I软件；
采用点胶机调节通过所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k的压力，使得通过所述第一锥状进料通道a和所述第三锥状进料通道c的挤出压力均为10-25Psi，通过所述第二锥状进料通道b的挤出压力为40-50Psi；
并在所述JR C-Points I软件中输入速度信息来控制所述共挤出装置的移动速度，使得所述共挤出装置的移动速度为4-8mm/s，以及输入坐标信息来控制所述共挤出装置的移动路径，使得所述共挤出装置按照预定路径完成移动，得到中间体；
对所述中间体进行后处理，得到所述三明治结构状复合材料；
所述后处理包括固化处理或包括依次进行所述固化处理和烧结处理；所述固化处理的条件至少满足：温度为120-135℃，时间为15-20min；所述所述烧结处理的条件至少满足：升温速率为4-5℃/min，温度为1200-1400℃，保温时间为2-3h。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实例中，在没有特别说明的情况下，所述的原料均为市售品。
以下实例中，在没有特别说明的情况下，
光固化树脂，热变形温度为140℃，弯曲强度为115MPa，拉伸强度为56MPa，牌号为HTM140；
CAD文件I、CAD文件II、CAD文件III、CAD文件IV、CAD文件I-D-1、CAD文件I-D-2、CAD文件I-D-3均为通过Auto CAD软件绘制；
切片模型I和切片模型II均为通过在光固化打印机中的Perfactory RP软件进行设计的；
第一针筒e，规格为3cc；
第二针筒f，规格为10cc；
第三针筒k，规格为3cc；
光固化打印机，购自Envision TEC公司，型号为Perfactory Aureus；
桌上型自动涂胶机，购自美国诺信公司，型号为JR2403Nseries；
点胶机，购自兰拔万智能点胶科技公司，型号为NBW-866；
准静态d33测量仪，为中国科学院声学研究所的ZJ-4型。
以下实例中，所述浆料I-1、所述浆料I-2、所述浆料I-3、浆料I-D-1的制备方法如下：
浆料I-1的制备：将7g锆钛酸铅陶瓷粉体、3g PDMS树脂I、0.3g树脂固化剂置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合5min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料I-1；在25℃下，所述浆料I-1的粘度为3000Pa·s；
浆料I-2的制备：将3.7g无水乙醇、4.1g二甲苯、30g锆钛酸铅陶瓷粉体、1.5g聚乙烯醇缩丁醛、0.3g磷酸三乙酯、0.3g邻苯二甲酸二丁酯、0.3g聚乙二醇置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合30min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料I-2；在25℃下，所述浆料I-2的粘度为900Pa·s；
浆料I-3的制备：将3.7g无水乙醇、4.1g二甲苯、24g钛酸钡陶瓷粉体、1.5g聚乙烯醇缩丁醛、0.3g磷酸三乙酯、0.3g邻苯二甲酸二丁酯、0.3g聚乙二醇置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合30min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料I-3；在25℃下，所述浆料I-3的粘度为800Pa·s；
浆料I-D-1的制备：按照制备浆料I-1的方法进行，不同的是，所述锆钛酸铅陶瓷粉体的用量为9g，其余步骤及参数同浆料I-1的制备；在25℃下，所述浆料I-D-1的粘度为7000Pa·s。
以下实例中，所述浆料II-1、所述浆料II-2、所述浆料II-3、所述浆料II-4、浆料II-D-1的制备方法如下：
浆料II-1的制备：将0.5g炭黑、2.83g PDMS树脂II、0.28g树脂固化剂置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合5min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料II-1；在25℃下，所述浆料II-1的粘度为1100Pa·s；
浆料II-2的制备：将7g低温银浆、3g PDMS树脂I、0.3g树脂固化剂、0.5g超导炭黑置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合5min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料II-2；在25℃下，所述浆料II-2的粘度为1200Pa·s；
浆料II-3的制备：将10g高温银钯浆置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合5min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料II-3；在25℃下，所述浆料II-3的粘度为400Pa·s；
浆料II-4的制备：将1.56g无水乙醇、1.72g二甲苯、15g镍粉、0.63g聚乙烯醇缩丁醛、0.1g磷酸三乙酯、0.1g邻苯二甲酸二丁酯、0.1g聚乙二醇置于匀胶机中，在转速为2000rpm下混合5min，并置于离心机中，在转速为3000rpm下进行3min的除泡处理，得到浆料II-4；在25℃下，所述浆料II-4的粘度为200Pa·s；
浆料II-D-1的制备：按照制备浆料II-1的方法进行，不同的是，所述炭黑的用量为0.75g，其余步骤及参数同浆料II-1的制备；在25℃下，所述浆料II-D-1的粘度为4000Pa·s。
其中，锆钛酸铅陶瓷粉体，平均粒径为200nm，牌号为PZT-5A；
钛酸钡陶瓷粉体，平均粒径为3μm；
树脂固化剂：
SYLGARD 184Curing Agent，购自美国陶熙公司；
炭黑，平均粒径为30nm；
超导炭黑，平均粒径为30nm；
镍粉，平均粒径为2μm；
低温银浆，购自深圳赛雅电子浆料有限公司，牌号为01L-2210；
高温银钯浆，购自深圳赛雅电子浆料有限公司，牌号为02H-2020D；
所述PDMS树脂I为质量比为1：4的SYLGARD 184和DOWSILSE1700的组合；所述PDMS树脂II为质量比为1：3.96的SYLGARD 184和DOWSILSE1700的组合；
SYLGARD 184，购自美国陶熙公司；
DOWSILSE1700，购自美国陶熙公司。
实施例1
本例用于提供制备三明治结构状复合材料的方法，且该方法在图2所示的装置中进行，该方法包括以下步骤：
(1)根据预设计的CAD文件I和切片模型I，采用光固化打印机对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件1；所述第一打印处理的条件满足：所述切片模型I的厚度为20μm，曝光时间为1s；
所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道a、第二锥状进料通道b和第三锥状进料通道c，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为45°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.3；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为1。
(2)将5g浆料I-1置于第二针筒f中，并分别在第一针筒e和第三针筒k中放置3g浆料II-1；分别将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k对应安装至所述共挤出组件1的所述第一锥状进料通道a、所述第二锥状进料通道b、所述第三锥状进料通道c中；并通过夹具组件3将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k固定在桌上型自动涂胶机上，再将所述桌上型自动涂胶机与计算机连接；所述计算机中安装有JR C-Points I软件；
采用点胶机调节通过所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k的压力，使得通过所述第一锥状进料通道a和所述第三锥状进料通道c的挤出压力均为25Psi，通过所述第二锥状进料通道b的挤出压力为50Psi；
并在所述JR C-Points I软件中输入“速度为8mm/s”，使得所述共挤出装置的移动速度为8mm/s，以及输入坐标信息，使得所述共挤出装置按照预定路径完成移动，得到中间体；
对所述中间体进行固化处理，得到所述三明治结构状复合材料；所述固化处理的条件满足：温度为120℃，时间为20min。
实施例2
本例用于提供制备三明治结构状复合材料的方法，且该方法在图2所示的装置中进行，该方法包括以下步骤：
(1)根据预设计的CAD文件II和切片模型II，采用光固化打印机对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件1；所述第一打印处理的条件满足：所述切片模型II的厚度为50μm，曝光时间为4s；
所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道a、第二锥状进料通道b和第三锥状进料通道c，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为45°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.2；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为1。
(2)将10g浆料I-1置于第二针筒f中，并分别在第一针筒e和第三针筒k中放置4g浆料II-2；分别将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k对应安装至所述共挤出组件1的所述第一锥状进料通道a、第二所述锥状进料通道b、第三所述锥状进料通道c中；并通过夹具组件3将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k固定在桌上型自动涂胶机上，再将所述桌上型自动涂胶机与计算机连接；所述计算机中安装有JR C-Points I软件；
采用点胶机调节通过所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k的压力，使得通过所述第一锥状进料通道a和所述第三锥状进料通道c的挤出压力均为25Psi，通过所述第二锥状进料通道b的挤出压力为40Psi；
并在所述JR C-Points I软件中输入“速度为6mm/s”，使得所述共挤出装置的移动速度为6mm/s，以及输入坐标信息，使得所述共挤出装置按照预定路径完成移动，得到中间体；
对所述中间体进行固化处理，得到所述三明治结构状复合材料；所述固化处理的条件满足：温度为130℃，时间为15min。
实施例3
本例用于提供制备三明治结构状复合材料的方法，且该方法在图2所示的装置中进行，该方法包括以下步骤：
(1)根据预设计的CAD文件III和切片模型II，采用光固化打印机对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件1；所述第一打印处理的条件满足：所述切片模型II的厚度为50μm，曝光时间为4s；
所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道a、第二锥状进料通道b和第三锥状进料通道c，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为30°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.3；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为2。
(2)将8g浆料I-2置于第二针筒f中，并分别在第一针筒e和所述第三针筒k中放置2g浆料II-3；分别将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k对应安装至所述共挤出组件1的所述第一锥状进料通道a、所述第二锥状进料通道b、所述第三锥状进料通道c中；并通过夹具组件3将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k固定在桌上型自动涂胶机上，再将所述桌上型自动涂胶机与计算机连接；所述计算机中安装有JR C-Points I软件；
采用点胶机调节通过所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k的压力，使得通过所述第一锥状进料通道a和所述第三锥状进料通道c的挤出压力均为10Psi，通过所述第二锥状进料通道b的挤出压力为45Psi；
并在所述JR C-Points I软件中输入“速度为5mm/s”，使得所述共挤出装置的移动速度为5mm/s，以及输入坐标信息，使得所述共挤出装置按照预定路径完成移动，得到中间体；
对所述中间体依次进行固化处理和烧结处理，得到所述三明治结构状复合材料；所述固化处理的条件满足：温度为135℃，时间为15min；
所述烧结处理的条件满足：升温速率为5℃/min，温度为1250℃，保温时间为2h。
实施例4
本例用于提供制备三明治结构状复合材料的方法，且该方法在图2所示的装置中进行，该方法包括以下步骤：
(1)根据预设计的CAD文件IV和切片模型II，采用光固化打印机对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件1；所述第一打印处理的条件满足：所述切片模型II的厚度为50μm，曝光时间为3s；
所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道a、第二锥状进料通道b和第三锥状进料通道c，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为60°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.4；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为2。
(2)将9g浆料I-3置于第二针筒f中，并分别在第一针筒e和第三针筒k中放置6g浆料II-4；分别将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k对应安装至所述共挤出组件1的所述第一锥状进料通道a、所述第二锥状进料通道b、所述第三锥状进料通道c中；并通过夹具组件3将所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k固定在桌上型自动涂胶机上，再将所述桌上型自动涂胶机与计算机连接；所述计算机中安装有JR C-Points I软件；
采用点胶机调节通过所述第一针筒e、所述第二针筒f、所述第三针筒k的压力，使得通过所述第一锥状进料通道a和所述第三锥状进料通道c的挤出压力均为10Psi，通过所述第二锥状进料通道b的挤出压力为45Psi；
并在所述JR C-Points I软件中输入“速度为4mm/s”，使得所述共挤出装置的移动速度为4mm/s，以及输入坐标信息，使得所述共挤出装置按照预定路径完成移动，得到中间体；
对所述中间体依次进行固化处理和烧结处理，得到所述三明治结构状复合材料；所述固化处理的条件满足：温度为135℃，时间为15min；
所述烧结处理的条件满足：升温速率为5℃/min，温度为1400℃，保温时间为2h。
对比例1
本例按照实施例1的方法制备三明治结构状复合材料，不同的是，在步骤(1)中，根据预设计的CAD文件I-D-1，得到共挤出组件1，其余步骤及参数同实施例1。
其中，在所述共挤出组件1中，任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为90°。
对比例2
本例按照实施例1的方法制备三明治结构状复合材料，不同的是，在步骤(1)中，根据预设计的CAD文件I-D-2，得到共挤出组件1，其余步骤及参数同实施例1。
其中，在所述共挤出组件1中，各个所述锥状进料通道的锥度为0.6。
对比例3
本例按照实施例1的方法制备三明治结构状复合材料，不同的是，在步骤(1)中，根据预设计的CAD文件I-D-3，得到共挤出组件1，其余步骤及参数同实施例1。
其中，在所述共挤出组件1中，所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为6。
对比例4
本例按照实施例1的方法制备三明治结构状复合材料，不同的是，在步骤(2)中，采用相同用量的浆料I-D-1替代所述浆料I-1，其余步骤及参数同实施例1。
对比例5
本例按照实施例1的方法制备三明治结构状复合材料，不同的是，在步骤(2)中，采用相同用量的浆料II-D-1替代所述浆料II-1，其余步骤及参数同实施例1。
对比例6
本例按照实施例1的方法制备三明治结构状复合材料，不同的是，在步骤(2)中，通过所述第一锥状进料通道a和所述第三锥状进料通道c的挤出压力均为70Psi，其余步骤及参数同实施例1。
测试例
对上述实施例和对比例所得材料置于准静态d33测量仪中进行压电常数测试，结果如表1所示。
表1
| 编号 | 等效压电系数d33，(pC/N) |
| 实施例1 | 3 |
| 实施例2 | 2 |
| 实施例3 | 420 |
| 实施例4 | 150 |
| 对比例1 | 0(电极导通，无法极化) |
| 对比例2 | 0(无电极层，无法极化) |
| 对比例3 | 0(电极导通，无法极化) |
| 对比例4 | 0(无电极层，无法极化) |
| 对比例5 | 0(无电极层，无法极化) |
| 对比例6 | 0(电极导通，无法极化) |
通过表1的结果可以看出，采用本发明的方法制备的复合材料具有明显更好的三明治结构状，且该复合材料具有更好的压电效应。
为了更清楚地说明本发明制得的三明治结构状复合材料，本发明通过图3示出了本发明实施例1所得三明治结构状复合材料的实物图，通过图4示出了本发明实施例2所得三明治结构状复合材料的实物图，通过图5示出了本发明实施例4所得三明治结构状复合材料的实物图。
本发明通过图6示出了对比例1所得材料的实物图，通过图7示出了对比例2所得材料的实物图，通过图8示出了对比例3所得材料的实物图，通过图9示出了对比例4所得材料的实物图，通过图10示出了对比例5所得材料的实物图；通过图11示出了对比例6所得材料的实物图。
示例性地，本发明通过图12示出了本发明实施例1所述CAD文件I中设计模型的三视图，通过图13示出了本发明实施例在所述JR C-Points I软件中输入的所述坐标信息的截图。
其中，由图3可知，本发明实施例1所得所述复合材料为电极层-压电相层-电极层的三明治结构状，且所述复合材料的平均直径为820μm，所述复合材料的所述电极层的平均直径为322μm。
由图4可知，本发明实施例2所得所述三明治结构状复合材料的平均直径为616μm，且所述复合材料的所述电极层的平均直径为355μm。
此外，本发明实施例3所得所述三明治结构状复合材料的平均直径为680μm，且所述复合材料的所述电极层的平均直径为270μm。
由图5可知，本发明实施例4所得所述三明治结构状复合材料的平均直径为700μm，且所述复合材料的所述电极层的平均直径为300μm。
由图6可知，对比例1所得所述材料不具有三明治结构状，所述材料的电极层完全包裹住压电相层。
由图7可知，对比例2所得所述材料不具有三明治结构状，电极浆料无法挤出。
由图8可知，对比例3所得所述材料不具有三明治结构状，所述材料的电极层完全包裹住压电相层。
由图9可知，对比例4所得所述材料不具有三明治结构状，电极浆料无法挤出。
由图10可知，对比例5所得所述材料不具有三明治结构状，电极浆料无法挤出。
由图11可知，对比例6所得所述材料不具有三明治结构状，所述材料的电极层完全包裹住压电相层。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种三明治结构状复合材料的3D打印方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）对光固化树脂进行第一打印处理，得到共挤出组件；所述第一打印处理为根据切片模型进行，且所述第一打印处理的条件至少满足：所述切片模型的厚度为20-50μm，曝光时间为1-4s；
（2）将浆料I和浆料II置于共挤出装置中进行第二打印处理，得到所述三明治结构状复合材料；在25℃下，所述浆料I的粘度为900-3000 Pa·s；在25℃下，所述浆料II的粘度为200-1200Pa·s；
所述共挤出装置包括共挤出组件；所述共挤出组件包括从左至右依次设置的第一锥状进料通道、第二锥状进料通道和第三锥状进料通道，各个所述锥状进料通道在同一平面内，且通过各个所述锥状进料通道锥顶端的中心线的延长线相交于同一点，以及包括设置在所述第二锥状进料通道锥顶的具有圆柱体结构的柱状出料喷嘴，所述第一锥状进料通道的锥顶端和所述第三锥状进料通道的锥顶端分别与所述柱状出料喷嘴连通；任意相邻两个所述锥状进料通道的中心线的夹角为30°-60°；各个所述锥状进料通道的锥度为0.2-0.4；所述柱状出料喷嘴的高度与底径的比值为1-2；
所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述锥状进料通道的挤出压力为10-50 psi；
所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述第二锥状进料通道的挤出压力>通过所述第一锥状进料通道的挤出压力，且通过所述第二锥状进料通道的挤出压力>通过所述第三锥状进料通道的挤出压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤（2）中，所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述第一锥状进料通道的挤出压力和通过所述第三锥状进料通道的挤出压力相等。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤（2）中，所述第二打印处理的条件至少满足：通过所述第二锥状进料通道的挤出压力为40-50psi，通过所述第一锥状进料通道的挤出压力和通过所述第三锥状进料通道的挤出压力均为10-25psi。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤（2）中，所述第二打印处理的条件至少满足：所述共挤出装置的移动速度为4-8mm/s。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该方法还包括：得到所述三明治结构状复合材料之前，对所述第二打印处理后的中间体进行后处理。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤（2）中，所述共挤出装置还包括针筒组件和夹具组件；所述针筒组件用于放置所述浆料I和所述浆料II；所述夹具组件用于固定所述针筒组件。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤（1）中，所述光固化树脂的热变形温度为130-150℃，弯曲强度为110-120MPa，拉伸强度为50-60MPa。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |