[发明专利]用于激光3D打印的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体及其制备方法

说明书

本发明公开一种用于激光3D打印的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体及其制备方法。所述复合粉体包括短切碳纤维和作为覆膜层包覆于碳纤维表面的热塑性酚醛树脂，其中短切碳纤维是硅烷偶联剂接枝的短切碳纤维；热塑性酚醛树脂占复合粉体的5~30vol%。采用硅烷偶联剂作为短切碳纤维和酚醛树脂的中间过渡层，能够改善无机相的碳纤维和有机相的酚醛树脂的极性和界面相容性，实现碳纤维与酚醛树脂之间的有效桥接。本发明的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体具有良好的激光吸收率和流动性，从而大大改善了碳纤维增强陶瓷基复合材料的激光成型性能。

技术领域

本发明属于增材制造材料领域，具体涉及一种用于激光3D打印的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体及其制备方法。

背景技术

3D打印，又名“增材制造”或者选区激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)，是基于“离散-堆积”成型原理，通过计算机构筑三维模型，切片软件对模型进行无限分割，再在计算机的控制下逐层沉积原材料以构筑部件。SLS技术以受激辐射和粒子分布数反转而产生的激光作为能量源，兼具高精度、高通量等诸多优势，因而被广泛应用。SLS的工作原理是：通过辊轮或者刮刀在粉床上铺粉，激光扫过的粉末成型，构筑完成第一层，粉床下降一层进行铺粉、成型，如此反复直至构筑形成完整的部件。SLS成型简单、高效，无需模具，能快速成型复杂结构零部件实现近净形制造，同时多余的粉末可回收重复利用。目前，SLS的成型方法主要用于高分子材料和金属材料。陶瓷材料因脆性和高熔点等特点，SLS成型较困难，成型部件密度低、机械性能差，同时SLS成型对粉体提出了高要求—良好的流动性、高激光吸收率、低有机物含量以及高陶瓷化率。适用于SLS成型的商业粉体的缺乏限制了SLS在陶瓷材料上的应用。

目前主要通过添加微米填料、纳米填料对SLS成型的陶瓷材料进行增强，形成陶瓷基复合材料并提高其性能。碳纤维(Carbonfiber,C_f)具有优异的力学、热学、电学和化学性能，如拉升强度可达到2000～7000GPa，是钢的1000倍，密度却只有钢的1/4，尤其适合于轻质高强部件的构筑。

无机物熔点较高，直接进行激光烧结能耗高。通过添加粘结剂，激光将粘结剂软化从而实现无机物粉末粘结以及构件成型。适用于SLS成型的无机物/粘结剂复合粉体的制备方法主要有两种：一种是通过机械混合制备粘结剂和无机物的混合粉体；另一种是以无机物为内核，粘结剂为外壳，形成核壳结构的粘结剂覆膜的复合粉体。采用覆膜法，粘结剂均匀地分布在无机物表面，可实现对激光的均质吸收，且覆膜粉体流动性良好。此外，还可有效减少粘结剂的用量，成型坯体的密度、强度等性能均较高。目前，制备上述粘结剂覆膜的复合粉体主要有溶剂蒸发法和溶解-沉淀法，该方法能够将粘结剂包覆在无机粉体表面，但制备周期较长，且制备需要在高温高压环境下进行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光3D打印的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体及其制备方法。所述复合粉体既能保证碳纤维表面覆层均匀，又能在SLS成型中保持较好的流动性，制备的部件力学、热学、电学性能优良。

第一方面，本发明提供一种用于激光3D打印的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体。所述复合粉体包括短切碳纤维和作为覆膜层包覆于碳纤维表面的热塑性酚醛树脂，其中短切碳纤维是硅烷偶联剂接枝的短切碳纤维。

本发明的复合粉体采用酚醛树脂对短切碳纤维进行覆膜处理，酚醛树脂作为SLS成型时的粘结剂，具有机械强度高、激光吸收率高、残碳率高等诸多优势。在SLS成型阶段，激光作用于酚醛树脂颗粒，使其软化并将碳纤维粘结成型。采用硅烷偶联剂作为短切碳纤维和酚醛树脂的中间过渡层，能够改善无机相的碳纤维和有机相的酚醛树脂的极性和界面相容性，实现碳纤维与酚醛树脂之间的有效桥接。本发明的酚醛树脂覆膜短切碳纤维复合粉体具有良好的激光吸收率和流动性，从而大大改善了碳纤维增强陶瓷基复合材料的激光成型性能。