[發明專利]用于激光3D打印的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體及其制備方法

有效

• 申請號: 202011501387.0
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112537921B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 黃政仁;陳曉;劉學建;殷杰;陳忠明;姚秀敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B26/12
• 分類號: C04B26/12;B33Y70/10
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 鄭優麗;牛彥存

本發明公開一種用于激光3D打印的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體及其制備方法。所述復合粉體包括短切碳纖維和作為覆膜層包覆于碳纖維表面的熱塑性酚醛樹脂，其中短切碳纖維是硅烷偶聯劑接枝的短切碳纖維；熱塑性酚醛樹脂占復合粉體的5~30vol%。采用硅烷偶聯劑作為短切碳纖維和酚醛樹脂的中間過渡層，能夠改善無機相的碳纖維和有機相的酚醛樹脂的極性和界面相容性，實現碳纖維與酚醛樹脂之間的有效橋接。本發明的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體具有良好的激光吸收率和流動性，從而大大改善了碳纖維增強陶瓷基復合材料的激光成型性能。

技術領域

本發明屬于增材制造材料領域，具體涉及一種用于激光3D打印的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體及其制備方法。

背景技術

3D打印，又名“增材制造”或者選區激光燒結(Selective Laser Sintering,SLS)，是基于“離散-堆積”成型原理，通過計算機構筑三維模型，切片軟件對模型進行無限分割，再在計算機的控制下逐層沉積原材料以構筑部件。SLS技術以受激輻射和粒子分布數反轉而產生的激光作為能量源，兼具高精度、高通量等諸多優勢，因而被廣泛應用。SLS的工作原理是：通過輥輪或者刮刀在粉床上鋪粉，激光掃過的粉末成型，構筑完成第一層，粉床下降一層進行鋪粉、成型，如此反復直至構筑形成完整的部件。SLS成型簡單、高效，無需模具，能快速成型復雜結構零部件實現近凈形制造，同時多余的粉末可回收重復利用。目前，SLS的成型方法主要用于高分子材料和金屬材料。陶瓷材料因脆性和高熔點等特點，SLS成型較困難，成型部件密度低、機械性能差，同時SLS成型對粉體提出了高要求—良好的流動性、高激光吸收率、低有機物含量以及高陶瓷化率。適用于SLS成型的商業粉體的缺乏限制了SLS在陶瓷材料上的應用。

目前主要通過添加微米填料、納米填料對SLS成型的陶瓷材料進行增強，形成陶瓷基復合材料并提高其性能。碳纖維(Carbonfiber,C_f)具有優異的力學、熱學、電學和化學性能，如拉升強度可達到2000～7000GPa，是鋼的1000倍，密度卻只有鋼的1/4，尤其適合于輕質高強部件的構筑。

無機物熔點較高，直接進行激光燒結能耗高。通過添加粘結劑，激光將粘結劑軟化從而實現無機物粉末粘結以及構件成型。適用于SLS成型的無機物/粘結劑復合粉體的制備方法主要有兩種：一種是通過機械混合制備粘結劑和無機物的混合粉體；另一種是以無機物為內核，粘結劑為外殼，形成核殼結構的粘結劑覆膜的復合粉體。采用覆膜法，粘結劑均勻地分布在無機物表面，可實現對激光的均質吸收，且覆膜粉體流動性良好。此外，還可有效減少粘結劑的用量，成型坯體的密度、強度等性能均較高。目前，制備上述粘結劑覆膜的復合粉體主要有溶劑蒸發法和溶解-沉淀法，該方法能夠將粘結劑包覆在無機粉體表面，但制備周期較長，且制備需要在高溫高壓環境下進行。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于激光3D打印的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體及其制備方法。所述復合粉體既能保證碳纖維表面覆層均勻，又能在SLS成型中保持較好的流動性，制備的部件力學、熱學、電學性能優良。

第一方面，本發明提供一種用于激光3D打印的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體。所述復合粉體包括短切碳纖維和作為覆膜層包覆于碳纖維表面的熱塑性酚醛樹脂，其中短切碳纖維是硅烷偶聯劑接枝的短切碳纖維。

本發明的復合粉體采用酚醛樹脂對短切碳纖維進行覆膜處理，酚醛樹脂作為SLS成型時的粘結劑，具有機械強度高、激光吸收率高、殘碳率高等諸多優勢。在SLS成型階段，激光作用于酚醛樹脂顆粒，使其軟化并將碳纖維粘結成型。采用硅烷偶聯劑作為短切碳纖維和酚醛樹脂的中間過渡層，能夠改善無機相的碳纖維和有機相的酚醛樹脂的極性和界面相容性，實現碳纖維與酚醛樹脂之間的有效橋接。本發明的酚醛樹脂覆膜短切碳纖維復合粉體具有良好的激光吸收率和流動性，從而大大改善了碳纖維增強陶瓷基復合材料的激光成型性能。