[发明专利]一种微流控3D打印复合材料制备装置及方法

说明书

本发明公开一种微流控3D打印复合材料制备装置及方法，第一多通道切换阀连通第一储液槽和第一计量注射泵，第一种增强相溶液经第一多通道切换阀进入第一计量注射泵；第一多通道切换阀连通第一计量注射泵和第二多通道切换阀，以及第二多通道切换阀连通第一多通道切换阀和第二计量注射泵，第一种增强相溶液进入第二多通道切换阀，第二计量注射泵吸入第一种增强相溶液，同样将第二种增强相溶液从第二储液槽转移到第二注射针筒中，两种增强相溶液经微流控芯片混合后从打印针头输出；本发明通过微流控技术控制打印微滴的尺寸和增强相的均匀分散并控制微滴滴在基体层上完全浸润但不会随意扩散，能按需求定制复合材料中增强相的分布和种类。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体是采用微流控技术和3D打印技术相结合的复合材料制备装置及其制备方法。

背景技术

电子、化工、装备制造和航天航空等行业对材料的性能提出了更高要求，单一的材料已经不能满足需求，在传统的复合材料加入了增强相后虽然提高了材料的强度，但是延展性显著降低，导致综合力学性能不佳，因此极大限制了复合材料的应用。根据现有理论，增强相的分布特征决定了其增强效果，增强相的非均匀分布比均匀分布有更好的强度和延展性平衡效果。例如，通过低能球磨随后反应烧结工艺制备出3D网状分布的TiBw/TC4复合材料，该种材料不仅克服了均匀分布的钛基复合材料室温脆性问题，表现出优异的强韧性，而且由于网状分布使基体具有连通性，表现出优异的塑形。然而传统的控制增强相非均匀分布的工艺不仅步骤繁琐且难以精准控制增强相颗粒在基体中的空间分布，因此如何实现这一工艺成为制备性能优异的复合材料的关键问题。

随着3D打印技术的快速发展，3D打印技术中出现一种名为粘结剂喷射(BinderJetting， BJ)打印的3D打印技术，其原理是集成粉床打印技术，如选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)打印技术以及粘结剂喷射于一体，通过将粘结剂液滴精准喷射在单层基体，随后将打印后的基体层层堆叠最终实现了复杂坯体的快速成型。利用该技术的特点，通过溶液喷射技术将增强相以溶液形式沉积在基体内部并形成相应的分布形状，但由于增强相的尺寸通常在微米甚至纳米级别且增强相含量在基体中的含量较低，现有3D打印中的喷射装置无法满足对增强相分布含量的精准控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控3D打印复合材料制备装置及其制备方法，以解决目前传统制备复合材料中难以实现对增强相非均匀分布的精确控制且生产成本高、工艺复杂的问题。

本发明一种微流控3D打印复合材料制备装置采用的技术方案是：计算机控制系统通过控制线分别连接打印控制装置、升降台、升降台动力装置、送粉装置和移动式铺粉装置，还包括废液槽、第一储液槽、第二储液槽、第三储液槽、第一多通道切换阀和第一计量注射泵，废液槽中储存清洗后的废液，第一储液槽和第二储液槽中分别储存两种不同的增强相溶液，第三储液槽中储存清洗剂，第一多通道切换阀上有一个中心孔和四个通道孔，中心孔与第一计量注射泵的进出液口，四个通道孔中的三个通道孔作为进液口分别一一对应地与第一储液槽、第二储液槽和第三储液槽的出液口连接，第四个通道孔作为出液口与其下方的第二多通道切换阀的进液口连接；第二多通道切换阀上有一个中心孔和四个通道孔，第二多通道切换阀的中心孔与第二计量注射泵的进出液口连接，第二多通道切换阀的四个通道孔有三个作为出液口分别一一对应地与废液槽、第一注射针筒、第二注射针筒的进液口连接，第二多通道切换阀的第四个通道孔作为进液口与第一多通道切换阀的出液口连接，第一注射针筒和第二注射针筒连接微量注射泵装置且正下方是微流控芯片，第一注射针筒和第二注射针筒的出口分别连接微流控芯片的一个进液口，微流控芯片的正下方是打印针头，微流控芯片的出口通过毛细软管与打印针头连接；打印针头内置于倒锥形针套中，倒锥形针套固定连接XY移动装置上；打印针头的正下方是升降台，升降台底部与升降台动力装置连接，在升降台上表面放置载料盘；移动式铺粉装置在送粉装置的上方，移动式铺粉装置和送粉装置之间是水平布置的铺粉平台，铺粉平台延伸至升降台的上方。

所述的微流控3D打印复合材料制备装置的制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：