[發明專利]一種3D打印制備碳/碳復合材料方法

有效

• 申請號: 201510593651.0
• 申請日: 2015-09-17
• 公開（公告）號: CN105172142B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 廖寄喬;易旭;李軍;譚周建;李丙菊
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B29C64/10
• 分類號: B29C64/10;B33Y70/00;B33Y10/00;C04B35/83;C04B35/622
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 魏娟

一種3D打印的碳/碳復合材料制備方法，將所述的碳纖維經刻蝕溶液刻蝕處理后，與用于溶解熱固性樹脂的溶劑混合得到固液混合物；將所述的熱固性樹脂與固化劑充分混合得到固體混合物；將所述的固液混合物、固體混合物分別加入反應容器中，攪拌溶解固體混合物后，然后將反應容器中的混合物干燥得到混合物塊體破碎；將制備好的原料倒入3D打印機送粉缸中進行碳/碳復合材料生坯3D打印；將所得碳/碳復合材料生坯置于熱處理爐中進行固化、碳化和增密處理得到碳/碳復合材料。該方法所制備的碳/碳復合材料具有力學性能優良和工藝成型性能，使碳/碳復合材料的應用拓展到更為精密、復雜的結構領域。

技術領域

本發明涉及一種基于3D打印技術的碳/碳復合材料制備方法。

背景技術

碳/碳復合材料是碳纖維及其碳基體復合材料，具有低密度(<2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點，是如今在1650℃以上應用的少數備選材料，最高理論溫度更高達3000℃，因此被認為是最有發展前途的高溫材料之一。該材料現有的較為成熟的制備方法主要有1.長纖維預制體編織，而且此種方法已經在實際生產應用中已較為成熟，但是這種方法存在著制備工藝復雜和難于制備復雜件的缺點。2.模壓成形，此種方法只適合批量生產零件且存在著磨具制備工藝復雜的缺點。

3D打印技術是一種廣泛應用的快速成型技術，其生產技術原理為：首先通過計算機建立目標生產零件的三維數據模型，然后通過對應的三維分層技術對三維模型進行切片處理，從而得到一個以切面為單元的數據信息組合，在計算機的控制下，通過單元切面的對應數據，對可熔性粉末材料進行逐層激光燒結，最終完成相應復雜零件的加工制造。目前，3D打印已經應用于金屬，樹脂，陶瓷等材料復雜零件的制備。

但是目前現有技術中碳纖維和熱解碳之間的結合屬于機械結合不適合3D打印，且3D打印復合材料力學性能都存在著力學性能有待提升的問題。因此，尋找一種制備方法簡單方便且可以有效用于3D打印制備碳/碳復合材料的制備方法，且可以提升打印出的碳/碳復合材料的力學性能是本領域的技術人員所需要解決的一個難題。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種3D打印技術的碳/碳復合材料制備方法，該方法所制備的碳/碳復合材料具有力學性能優良和工藝成型性能，使碳/碳復合材料的應用拓展到更為精密、復雜的結構領域。

一種3D打印的碳/碳復合材料制備方法，該方法包括以下步驟：

⑴原料制備：取熱固性樹脂、碳纖維、固化劑和流動助劑備用；當碳/碳復合材料生坯的質量份數為100份時，碳纖維質量份數為30‐70份，所述碳纖維的直徑為3μm～15μm，長度為200μm～600μm；將所述的碳纖維經刻蝕溶液刻蝕處理后，與用于溶解熱固性樹脂的溶劑混合得到固液混合物；將所述的熱固性樹脂與固化劑充分混合得到固體混合物；將所述的固液混合物、固體混合物分別加入反應容器中，攪拌溶解固體混合物后，然后將反應容器中的混合物干燥得到混合物塊體破碎為粒徑為10μm～600μm原料；

⑵生坯打印：將步驟⑴中制備好的打印原料倒入3D打印機送粉缸中，導入零部件三維立體圖形，然后用分層軟件將三維模型進行切片處理，得到零部件每一個加工層面的數據信息，調節好計算機相應打印過程控制參數，最終完成碳/碳復合材料生坯制備；

⑶固化、碳化和和增密：將步驟⑵所得碳/碳復合材料生坯置于熱處理爐中進行固化、碳化和增密處理得到碳/碳復合材料。

本發明的通過對3D打印碳/碳復合材料原料中的碳纖維進行刻蝕處理后，將熱固性樹脂溶解后再析出包覆刻蝕后的碳纖維，從而可實現碳纖維與樹脂間的更強結合，提高3D打印碳/碳復合材料的力學性能。同時，用本發明的用于3D打印碳/碳復合材料的粉末材料所制備的碳/碳復合材料具有加工步驟簡單和可制備構復雜件的優勢，使碳/碳復合材料的應用拓寬到更為精密、復雜的結構領域。