[发明专利]一种用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的料浆及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的料浆及其制备方法，以纤维、金属粉末、粘结剂和分散剂为原材料，并按以下质量百分比制成：纤维4‑15wt.％、金属粉末45‑55wt.％、粘结剂2‑4wt.％、分散剂30‑40wt.％，其中所述粘结剂为聚乳酸，所述分散剂为二氯甲烷。本发明在无加热状态下挤出，维持纤维在金属基体中的排布方式，提升纤维增强金属基复合材料性能的方法；粘结剂去除后，长度为150‑300μm的纤维80％左右呈现出良好的定向效果，其排布方向与打印方向的夹角保持在10°以内，维持了碳纤维在金属基体中精确的定向排布，这将更大地提高复合材料的力学性能。

技术领域

本发明属于纤维增强金属基复合材料技术领域，具体涉及一种用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的料浆及其制备方法。

背景技术

3D打印技术又叫增材制造，现已广泛应用于复杂或者难加工、小批量的零件成形领域。其通常运用的热源为激光或电子束，不仅导致了制造成本的提高，同时在材料种类方面也受到极大的限制。

目前，纤维增强金属基复合材料的制备方法分为固态法和液态法，其中，液态法主要有液态浸渗法、挤压铸造法、搅拌铸造法及喷射沉积法。固态法主要为粉末冶金法，其相对于上述液态法，可以制备绝大多数的难熔金属基复合材料、假合金、多孔材料，同时具有材料成分配比较均匀、消耗能源少等优点。但是，传统的粉末冶金法制备金属基纤维复合材料时，纤维排布杂乱，并且容易发生纤维团聚等问题。

最新研究发现，纤维在与金属粉末、粘结剂的挤出过程中，容易出现剪切稀化现象，通过挤出成型可以控制纤维的排布方向使得纤维沿挤出路径方向排布。基于上述特性，将增材制造领域中的挤出成型与金属烧结成型方法相结合，不仅可以解决纤维排布无规则、团聚等问题，从而对材料内部结构进行创新，将仿生结构灵感得以实现，还可以解决材料种类限制的问题，同时可以降低生产成本。

然而，在现有的挤出3D打印制备纤维增强金属基复合材料的过程中，料浆需要在被加热后才能被均匀挤出，同时，制备的坯体中残余热应力的存在和分散剂的挥发易导致样件收缩变形，使得纤维的排布方向发生改变，进而影响预期增强效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的料浆，以克服现有挤出3D打印制备方法中纤维由于热应力的影响和分散剂、粘结剂去除过程中纤维排布方向改变的缺点，还提供上述用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的制备方法，能够维持纤维在金属基体中的排布方式来提升CF/Al复合材料性能。

一种用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的料浆，其特征在于：以纤维、金属粉末、粘结剂和分散剂为原材料，并按以下质量百分比制成：纤维4-15wt.％、金属粉末45-55wt.％、粘结剂2-4wt.％、分散剂30-40wt.％，其中所述粘结剂为聚乳酸，所述分散剂为二氯甲烷。

进一步地，所述纤维为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的一种或几种，长度为0.1-5mm，直径为5-15μm。

进一步地，所述金属为纯金属、合金或金属氧化物，如铝粉、铁粉、铜粉、氧化铝、氧化铁、氧化镍等。

进一步地，所述聚乳酸形状为颗粒状。

进一步地，所述二氯甲烷占料浆的质量百分比为35wt.％。

上述用于挤出3D打印的纤维增强金属基复合材料的料浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将聚乳酸浸泡于二氯甲烷中24h，其混和质量比为1:4-1:5，再超声处理30min使聚乳酸充分溶解于二氯甲烷中；

B、将金属粉末和纤维按比例混和均匀，分成5份，将提前准备好的二氯甲烷也分成5分依次加入到步骤A得到的溶于二氯甲烷中的聚乳酸中，每份金属粉末和纤维混合粉末加入的同时加入1份二氯甲烷，在搅拌器中搅拌均匀后，取出密封。