[发明专利]一种直接3D打印的复合功能材料及打印方法

说明书

一种直接3D打印的复合功能材料及打印方法，属于3D打印技术领域，可解决现有打印材料单一、功能性复合难3D打印困难、打印速度慢且保真度低的问题。本发明不仅填补了天然胶乳3D打印的空白，同时可实现金属、金属氧化物、塑料、树脂及橡胶等的3D打印，而且可复合各种功能粒子。高的机械剪切力可提高剪切稀化效果，可达到600mm/min的打印速度，高的固含量保证了打印样品在热处理或煅烧后的形状稳定。因此，可实现多材料复合的功能性3D打印将赋予增材制造（AM）更加多元的应用，良好的材料普适性，将具有很重要的研究意义与工程应用价值。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种直接3D打印的复合功能材料及打印方法。

背景技术

自从1980年代首次发明增材制造（AM）以来，距今已有40年的历史，但AM在工业上仍未得到广泛应用，主要有以下5个原因：1）材料基体的可打印性：尽管越来越多的材料可用于增材制造，但它仍然受可打印材料类型的限制，并且许多不能打印出具有优异性能的材料，例如天然橡胶。2）成本：多材料打印往往需要多种打印技术的结合，高昂的设备及对应技术的材料费用在实际应中是不实际的。例如：金属和陶瓷（SLS）、热塑性材料ABS和PLA（FDM）、树脂（DLP）、水凝胶及黏弹性材料（DIW）。3）打印材料基体的机械可增强性：纯材料通常具有有限的力学性能，限制了它们的潜在应用。组合各种材料以实现所需的机械性能是解决该问题的一种有效方法，同时也是一种挑战。4）材料基体系统的可功能化：功能性通常要求基体材料具有复杂的功能，而纯材料通常不具备这些功能，如导电性、磁性和环境响应性。在基体材料中加入功能组分可能是一种很有前途的解决方案，但同时会影响基质材料的可打印性；5）材料基体的打印速度；6）打印样品的结构稳定性。

发明内容

本发明针对现有材料复合的功能性3D打印困难、打印速度慢且保真度低的问题，提供一种直接3D打印的复合功能材料及打印方法。

本发明采用如下技术方案：

一种直接3D打印的复合功能材料，包括在剪切稀化凝胶的基础上负载乳液型粒子制备的乳液基材料油墨或负载固体粉末粒子制备粉末基材料油墨；

所述剪切稀化凝胶包括如下组分：2-10mL的油酸、4mL的质量浓度25%的氨水和6mL的去离子水或1-10mL的油酸和1-7mL的三乙醇胺或0.5-1mL的油酸和1-1.5mL的三乙醇胺或1-10mL的油酸、1-7mL的三乙醇胺和10mL的去离子水或2-10mL的油酸、4mL的质量浓度25%的氨水、1-5mL的三乙醇胺和6mL的去离子水。

进一步地，所述剪切稀化凝胶包括如下组分：2-5mL的油酸、4mL的质量浓度25%的氨水、1-1.5mL的三乙醇胺和6mL的去离子水。

进一步地，所述乳液基材料油墨包括如下组分：20-25g的天然乳胶或丁腈橡胶、0.5-1mL的油酸、1-1.5mL的三乙醇胺以及占天然乳胶或丁腈橡胶质量5-7%的气相二氧化硅。

进一步地，所述粉末基材料油墨包括如下组分：8-25g的粉末材料、2-5mL的油酸、1-1.5mL的三乙醇胺、4mL的质量浓度25%的氨水、6mL的去离子水以及占粉末材料质量5-7%的气相二氧化硅。

进一步地，所述粉末材料包括铝粉、氧化铝粉末、环氧树脂粉末和聚偏氟乙烯粉末中的任意一种。

进一步地，所述剪切稀化凝胶、乳液基材料油墨和粉末基材料油墨中还包括硫化剂、磁性粒子、酸碱指示剂染料、导电性粒子、石墨烯或碳纳米管的功能粒子。

进一步地，所述硫化剂包括硫磺和硫化促进剂中的一种或两种，所述磁性粒子类包括铁磁性材料Fe₃O₄、羰基铁粉、永磁性材料和抗磁性材料中的一种或多种，所述酸碱指示剂染料包括甲基橙、甲基蓝和罗丹明B中的一种或多种，导电性粒子包括金属和金属氧化物类中的一种或多种。

一种直接3D打印的方法，包括如下步骤：