[发明专利]一种3D打印陶瓷与纤维复合增强铝基材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种3D打印陶瓷与纤维复合增强铝基材料的制备方法，目的是解决现阶段工程应用领域当中铝基复合材料结构与性能不能兼顾的问题，本发明包括水基浆料的制备、3D打印、干燥、铝基复合材料的高温烧结成型等几个步骤，本发明采用挤压成型技术与高温烧结相结合的方法，该方法工艺简单，通用性强，同时大大降低了生产成本，具有良好的经济效益，制备出了宏观上具有木垛式网格结构，微观上具有纤维定向的陶瓷与纤维复合增强铝基复合材料，使铝基材料获得更高的机械性能，同时保持了铝基体轻质高韧的特性。

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法，特别涉及一种3D打印陶瓷与纤维复合增强铝基材料的制备方法。

背景技术

在铝基材料中加入增强相是国内外工程领域常用的一种制备复合材料的方法。这种方法制备出的铝基复合材料不仅具备了铝基体本身轻质、高韧的特点，同时也具备了陶瓷相高强高硬、高弹性模量、高耐磨性与纤维增强相高延展性、高韧性、高耐冲击性的特性，它表现出轻质、高强、高韧等良好的综合性能，被广泛应用于航空、航天、航海、能源、国防、汽车、机械等多个领域。

目前，制备铝基复合材料通常采用的是粉末冶金法、固态热压法、搅拌铸造法和热喷涂法等。但是，上述这些传统制造方法制备出的铝基复合材料无法实现材料的微结构设计，使得材料的性能不能得到更加有效的利用。在自然界中，许多生物，如树木、蜂巢、骨骼等，在大自然亿万年的演变里，进化出了独有的多孔、层状结构，这些独特的结构赋予了它们良好的强度、韧性、抗冲击性能，使得他们更好的在自然界中生存。因此，如何通过仿生制备出具有独特微观结构的铝基复合材料，以使其同时具备高孔隙率，高比表面积，低体积密度等特性，充分发挥材料本身的优势，增加其在高冲击力、高应力、高压缩力等工程环境下的应用，是现有技术中存在的问题。

3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种通过计算机辅助制造连续层，可设计实现材料的微观结构的快速成型技术。随着3D打印技术的发展，将其广泛运用在材料结构设计中已经成为国内外研究的一种趋势。

发明内容

本发明的目的是解决现阶段工程应用领域当中铝基复合材料结构与性能不能兼顾的问题，提供的一种3D打印陶瓷与纤维复合增强铝基材料的制备方法，本发明运用仿生学理念，以具有纤维定向分布以及木垛微结构的木材为蓝本，将低温挤压式3D打印技术与后处理烧结技术相结合，制备出一种具有层状多孔结构的陶瓷与纤维复合增强的铝基复合材料，使其兼具结构的优异性与高强、高韧的功能特性，为工程中广泛运用的铝基复合材料在结构与性能的共同提升上提供了一种新思路、新方法。

本发明包括以下步骤：

步骤一、水基浆料的制备：将Al粉、Al₂O₃粉、长度为1～3mm的碳纤维和分散剂混合，其中Al粉的重量百分比为20wt.％～30wt.％，Al₂O₃粉的重量百分比为40wt.％～60wt.％，碳纤维的重量百分比为0.1wt.％～0.5wt.％，分散剂的重量百分比为19.9～29.5wt.％，混合后将混合物采用转速为100r/min的行星式球磨机球磨6～8h，球磨后的粉料与20ml粘结剂在60～80℃的温度下一起溶于50ml去离子水中，充分搅拌制成水基浆料；

步骤二、3D打印：根据要打印材料的形状和参数运用建模软件建立填充率为50～80％的实体模型,导出STL文件后通过切片软件进行切片，生成针筒沿轴的移动路线及挤压速度；将配置好的水基浆料放入挤压式打印注射筒内，除去筒内气泡之后，通过内径为0.6mm的不锈钢针头根据移动路线及挤压速度进行打印；采用直写式3D打印法，每一层的打印路径相同，互相平行，相邻层之间的打印路径相互垂直；在3D打印过程中通过剪切诱导，使碳纤维排布方向与打印路径方向相同，不同打印层之间碳纤维排布路径不同；

步骤三、干燥：将3D打印完成的坯体进行干燥；