[发明专利]3D打印原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法

说明书

本发明涉及一种3D打印原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，包括下列步骤：1)根据所使用有机物固体碳源种类的不同，选用适用溶剂，使得固体碳源溶解；2)在镍粉和有机物固体碳源的混合粉末中加入适量的适用溶剂，并混合均匀，得到前驱体悬浊液；3)将所得的前驱体悬浊液进行干燥处理，得到复合前驱体粉末；4)将所得复合前驱体粉末置入真空烘箱进一步干燥，并对真空干燥后的复合前驱体粉末进行研磨；5)将足够量的经过研磨的复合前驱体粉末置于3D打印机的粉仓内，采用激光扫描的方法，按照设计形状3D打印原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料块体。

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备领域，具体涉及一种使用3D打印工艺高效可控制备三维石墨烯增强镍基复合材料的方法。

背景技术

航空航天工业及军事国防装备作为衡量国家发展水平的重要指标，航空发动机、导弹推进系统等各种推进系统的研发与生产能力是其中的核心技术。目前，我们使用的主要高温部件都是由镍基复合材料和镍基高温合金制造的，镍所具有的的面心立方结构赋予了其较稳定的组织及高温稳定性及化学稳定性。随着工业化程度发展，制造业对高温材料的力学性能提出了更高的要求，开发具有较高性能的镍基复合材料刻不容缓。

石墨烯作为典型纳米碳材料具有优异的力学性能、抗拉强度和弹性模量，其超高的表面积使得其可作为不同种类金属的增强体制备复合材料，其优异的热导率也使得其可作为镍基复合材料的优良增强体。而二维石墨烯易于团聚，容易诱发较多不良界面反应从而制约石墨烯/镍基复合材料的性能。选用三维石墨烯作为镍基复合材料的增强体可以抑制石墨烯的团聚从而将石墨烯的优良力学性能、耐腐蚀、抗疲劳及导热性能与镍金属或合金结合到一起。但现今制备三维石墨烯增强镍基复合材料工艺并不能完全抑制石墨烯的团聚而且可控性及效率有待提高。

3D打印(增材制造)技术工艺，是一种结合了计算机辅助设计及材料加工与成形技术的快速成型工艺，由于对材料结构的精确剪裁和三维可控设计，可利用此工艺实现三维石墨烯增强镍基复合材料大尺度的可控构筑和优化布局。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效、完全可控制备适用于3D打印的三维石墨烯增强镍基复合材料的方法。本发明以镍粉作为催化基体及金属模板，以有机物(蔗糖、柠檬酸、PMMA等)为固体碳源，依托3D打印技术使用激光(二氧化碳激光或光纤激光)诱导原位生成三维石墨烯，一步成型三维石墨烯增强镍基复合材料。通过调整模型设计、镍粉粒径、前驱体粉末配方及配比、打印参数，是否外加增强体(碳纳米管等)可实现该镍基复合材料任意尺度的可控构筑，从而根据实际应用调控其结构、形态及性能。技术方案如下：

一种3D打印原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，包括下列步骤：

1)根据所使用有机物固体碳源种类的不同，选用适用溶剂，使得固体碳源溶解。

2)在粒径为2-50μm的镍粉和有机物固体碳源的混合粉末中加入适量的适用溶剂，并混合均匀，得到前驱体悬浊液；

3)将所得的前驱体悬浊液进行干燥处理，得到复合前驱体粉末；

4)将所得复合前驱体粉末置入真空烘箱进一步干燥，并对真空干燥后的复合前驱体粉末进行研磨；

5)将足够量的经过研磨的复合前驱体粉末置于3D打印机的粉仓内，采用激光扫描的方法，按照设计形状3D打印原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料块体。

所述的有机物固体碳源或者为蔗糖、葡萄糖、柠檬酸中的任意一种或混合物，或者为PMMA。

将碳纳米管分散液以镍粉、碳纳米管质量比为100：(0.5-2.5)的比例置于步骤2)所得的前驱体悬浊液中并混合均匀，制得碳纳米管增强的前驱体悬浊液。

步骤3)中，在加热温度90-130℃的条件下，对前驱体悬浊液进行加热蒸干；或使用旋转蒸发仪去除悬浊液中的溶剂，得到复合前驱体粉末。