一種用于3d打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)背景
[0002]快速成形技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。即，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。
[0003]3D打印是一種快速成型技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和材料技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可將產(chǎn)品的物理形狀通過(guò)造型軟件或三維掃描儀轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字立體模型，用分層軟件將此模型在Z軸離散，形成一系列具有特定厚度的薄層，然后利用各種方法將這一系列薄層逐層堆積起來(lái)，最后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮筇幚矸椒ǎ玫剿璧漠a(chǎn)品。這種成型方法不需要模具，省去了模具設(shè)計(jì)、制造以及合模、脫模等過(guò)程，顯著縮短了研發(fā)和制造周期，降低了產(chǎn)品的成本。
[0004]3D打印可分為兩大類:第一類是基于激光技術(shù)的成型方法，如立體光刻(Stereolithography Apparatus，SLA)、紙疊層(Laminated Object Manufacturing，LOM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintered，SLS)、選擇性激光恪化(Selective Laser Melted，SLM)等；第二類是非激光技術(shù)的成型方法，如恪絲沉積(Fused Deposit1n Modeling，F(xiàn)DM)、掩膜光固化(Mask Stereo lithography，MS)、沖擊微粒制造(Ballistic ParticleManufacturing，BPM)、實(shí)體磨削固化(Solid Ground，SGC)等。技術(shù)不同所用材料則完全不同，例如:熔絲沉積(FDM)技術(shù)操作簡(jiǎn)單，所用的材料主要是環(huán)保高分子材料，例如:PLA、PCL、PA、ABS、PC、PVC等。目前，市場(chǎng)上所售的3D打印成型材料基本被國(guó)外公司所壟斷，售價(jià)高，嚴(yán)重制約3D打印技術(shù)在我國(guó)的推廣和普及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料及其制備方法，該材料強(qiáng)度高、成型性能優(yōu)異、成本低且通用性好。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括:73-80%的陶瓷前驅(qū)體粉末、5-10%的納米粉末增強(qiáng)材料、2-5%的鎂粉、2-5%的表面活性劑、2-5%的有機(jī)溶劑、1-4%無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、5-10%的低溫固化劑；所述納米粉末增強(qiáng)材料的粒徑為20-200納米。
[0008]所述陶瓷前驅(qū)體粉末選自氧化鋁、氮化鋁、氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一種或任意兩種的組合，所述陶瓷前驅(qū)體粉末的粒徑為180-280目；
[0009]所述納米增強(qiáng)材料選自納米氧化鋅粉末、納米氧化鈦粉末中的一種；
[0010]所述表面活性劑選自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、磷酸三丁酯、十二烷基苯磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、聚丙烯酸鈉中的一種；
[0011]所述低溫固化劑選自硅溶膠、鋁溶膠中的一種；
[0012]所述無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液；
[0013]所述有機(jī)溶劑為乙醇，丙酮，甲醇，正己烷，異丁醇、異丙醇中的一種。
[0014]進(jìn)一步的，所述鎂粉純度為98%以上，粒徑為1-5微米。
[0015]進(jìn)一步的，所述低溫固化劑的固相體積分?jǐn)?shù)為10?40%。
[0016]進(jìn)一步的，所述無(wú)機(jī)粘結(jié)劑中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質(zhì)量比為
2:1:1: 4。
[0017]上述用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的制備方法為:
[0018](I)將表面活性劑溶入有機(jī)溶劑中形成濃度為1.5-10g/L的表面活性劑溶液，將納米粉末增強(qiáng)材料加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌30-60分鐘，形成改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液；
[0019](2)將上述改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液、有機(jī)溶劑、鎂粉及陶瓷前驅(qū)體粉末均勻混合后，并放入轉(zhuǎn)速為3500-4000轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機(jī)中研磨5-8小時(shí)，然后進(jìn)行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0020](3)將上述混合粉末及無(wú)機(jī)粘結(jié)劑均勻混合，然后與低溫固化劑混合并球磨1-2小時(shí)，形成無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，所述摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的固含量為75-85%。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0022](I)采用表面活性劑對(duì)納米粉末實(shí)施解團(tuán)聚處理，使得納米粉末具備優(yōu)異的分散性，將其添加入陶瓷前驅(qū)體粉末中，可以提高陶瓷致密度及強(qiáng)度，并進(jìn)一步提升產(chǎn)品韌性。
[0023](2)本發(fā)明中的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑具有粘結(jié)快速，粘結(jié)牢固等特點(diǎn)，可快速制作出各種形狀的模型產(chǎn)品。
[0024](3)無(wú)機(jī)混合粉末、鎂粉、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑及低溫固化劑相互協(xié)同配合，在低溫下即可快速粘結(jié)，復(fù)配效果佳。
[0025](4)將該無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料作為3D打印快速成型機(jī)的成型原料，能夠有效的在3D打印機(jī)上快速成型，并可應(yīng)用于多種不同型號(hào)的3D打印機(jī)。
[0026](5)本發(fā)明原料獲取范圍廣泛，制備方法簡(jiǎn)單易行，成本低，有利于市場(chǎng)化的推廣。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]一種用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括:73%的氧化鋁、6 %的納米氧化鋅、2 %的鎂粉、4 %的聚乙二醇、1 %的硅溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、4%的乙醇；納米氧化鋅的粒徑為40納米；硅溶膠的固相體積分?jǐn)?shù)為40% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質(zhì)量比為2:1:1: 4。
[0030]該摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的制備方法為:
[0031](I)將占總重量4%的聚乙二醇溶入占總重量2%的乙醇中，并形成濃度為8g/L的表面活性劑溶液，將占總重量6%的納米氧化鋅加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌30分鐘，形成改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液；
[0032](2)將上述改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液與占總重量2%的鎂粉、占總重量2%的乙醇及占總重量73%的氧化鋁均勻混合后，并放入轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機(jī)中研磨5小時(shí)，然后進(jìn)行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0033](3)將上述混合粉末及占總重量1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量10%的硅溶膠混合，球磨2小時(shí)，形成無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，所述無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的固含量為75%。
[0034]實(shí)施例2:
[0035]一種用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括:75%的氮化鋁、8 %的納米氧化鋅、3 %的鎂粉、5 %的聚乙烯醇、5 %的硅溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、3%丙酮；納米氧化鋅的粒徑為20納米；硅溶膠的固相體積分?jǐn)?shù)為10% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質(zhì)量比為2:1:1: 4。
[0036]該摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的制備方法為:
[0037](I)將占總重量5%的聚乙二醇溶入占總重量1%的丙酮中，并形成濃度為1g/L的表面活性劑溶液，將占總重量8%的納米氧化鋅加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌60分鐘，形成改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液；
[0038](2)將上述改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液與占總重量2%的鎂粉、占總重量2%的丙酮及占總重量75%的氮化鋁均勻混合后，并放入轉(zhuǎn)速為3500轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機(jī)中研磨8小時(shí)，然后進(jìn)行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0039](3)將上述混合粉末及占總重量1%的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液均勻混合，然后與占總重量5%的硅溶膠混合，球磨I小時(shí)，形成無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，所述無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的固含量為78%。
[0040]實(shí)施例3:
[0041]一種用于3D打印的摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括:78%的氧化硅、5 %的納米氧化鈦、2 %的鎂粉、3 %的磷酸三丁酯、8 %的硅溶膠、I %的添加了氧化硅、氧化鈦及氧化鋁的硅酸鈉溶液、3%的甲醇；納米氧化鈦的粒徑為60納米；硅溶膠的固相體積分?jǐn)?shù)為20% ;硅酸鈉溶液中氧化硅、氧化鈦、氧化鋁及硅酸鈉的質(zhì)量比為2:1:1: 4。
[0042]該摻鎂無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的制備方法為:
[0043](I)將占總重量3%的磷酸三丁酯溶入占總重量1%的甲醇中，并形成濃度為6g/L的表面活性劑溶液，將占總重量5%的納米氧化鈦加入該表面活性劑溶液中，超聲攪拌50分鐘，形成改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液；
[0044](2)將上述改性后的納米粉末增強(qiáng)材料懸濁液與占總重量2%的鎂粉、占總重量2%的甲醇及占總重量78%的氧化硅均勻混合后，并放入轉(zhuǎn)速為3800轉(zhuǎn)/分鐘的研磨機(jī)中研磨7小時(shí)，然后進(jìn)行超臨界干燥，得到混合粉末。
[0045](3)將上述混合粉末及占總重