[发明专利]一种石墨烯熔融沉积3D打印方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯熔融沉积3D打印方法及应用，属于3D打印(增材制造)技术领域。

背景技术

3D打印，也称为增材制造，是根据所设计的3D模型，通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。目前，3D打印技术常用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。3D打印这种基于材料堆积法的高新制造技术受到了国内外越来越广泛的关注，将促成一种新型的生产方式，具有广阔的发展前景。

在3D打印技术中，熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)成型的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本和维护成本也最低，因此FDM也是当今世界上使用最广泛的3D打印技术。目前，应用于FDM工艺的材料基本上是聚合物。成型材料一般为ABS、PLA、PA、PC、PVA、PPSF、石蜡等。聚合物的优点是熔点低、易成型，缺点是使用温度低，强度低。因此，FDM3D打印技术目前主要是制作模型，难以用于制造实际承载件，更难以满足复杂条件下的多功能需求。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；具有超高导热率，导热系数高达5300W/(m·K)；石墨烯的电子运动速度达到了光速的1/300，远超过了电子在一般导体中的运动速度；常温下其电子迁移率超过15000cm²/(V·s)，达到硅材料的100倍；而电阻率只约10^-8Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料；石墨烯的硬度比金刚石还高，强度比最好的钢铁还要高上100倍；它还具有优异防腐耐磨性，可以算是世上最轻薄的防腐耐磨材料。根据石墨烯的上述特性，其可应用于各材料领域，满足各方面的多功能要求。但是，由于目前制备的石墨烯片径太小，加上质量太轻，现有技术很难直接运用此种材料进行成型制造，不能很好地满足工业化生产要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种石墨烯熔融沉积3D打印方法，获得高强度、多功能的石墨烯熔融沉积3D打印产品，以更好地满足社会发展的需求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种石墨烯熔融沉积3D打印方法，包括以下步骤：第一步，将石墨烯微片与聚合物混合制成含石墨烯的聚合物线材，线材中石墨烯的质量分数大于0小于等于68％；第二步，将所述含石墨烯的线材导入到熔融沉积3D打印机中，在所述打印机中将线材中的聚合物加热融化而石墨烯微片不融化；第三步，石墨烯微片随熔融的聚合物通过所述打印机的喷嘴挤出，层层堆积形成含石墨烯的产品坯型；还包括第四步和/或第五步和/或第六步：第四步，采用包括溶剂溶解、加热或催化在内的方法将含石墨烯的产品坯型中的聚合物去除，成为石墨烯熔融沉积3D打印坯件；第五步，将所述石墨烯3D打印坯件加热煅烧，使坯件成为具有良好物理、化学和力学性能的石墨烯制品；第六步，根据需要，进行装配、连接、热处理、表面处理等后续加工，获得石墨烯熔融沉积3D打印的产品。

所述的石墨烯熔融沉积3D打印方法，所述单个石墨烯微片厚度方向上含石墨烯的层数小于等于10层，其它方向上的最大尺寸小于等于500微米。

所述的石墨烯熔融沉积3D打印方法，所述石墨烯优选为碳质量含量在99％以上的高纯度石墨烯，或者根据实际需要，采用经过氧原子、氟原子或其它原子修饰的、含有羟基、羧基、羰基和环氧基中的一种或几种官能团的石墨烯。

权利要求1所述的石墨烯熔融沉积3D打印方法，所述石墨烯微片与聚合物均匀混合，聚合物中根据需要加入各种添加剂，包括稳定剂、填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、固化剂、阻燃剂、发泡剂。

所述的石墨烯熔融沉积3D打印方法，所述含石墨烯的聚合物线材直径优选为1.75mm和3mm，或者根据需要制作成其它直径大小的线材。

所述的石墨烯熔融沉积3D打印方法，特征在于：所述聚合物优选为PVA、PLA、ABS、PC、PA中的一种或几种组成的“合金”，也可以是其它一种聚合物或几种聚合物组成的“合金”或混合物。

所述的石墨烯熔融沉积3D打印方法的应用。