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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及3d打印及高性能碳/碳复合材料制备领域,尤其涉及基于激光诱导石墨烯的碳纤维复合材料表面梯度结构制造方法。
技术介绍
1、碳纤维复合材料是一种性能优异的新材料,与传统的材料相比,具有轻量化、耐冲击的优点,能够在保证强度的同时减轻重量,提高材料的综合性能。在航空航天、汽车、体育器材等领域具有广泛的应用前景。而碳纤维复合材料受限于树脂的性能,使用温度、电磁特性、电化学特性有待优化提升。
2、而石墨烯是一种碳原子以sp2杂化键合形成单层六边形蜂窝晶格的二维材料,具有优异的导电性、导热性、力学特性、光学特性、化学特性。石墨烯气凝胶是以石墨烯为材料,通过搭接、排列而形成具有互联多孔网络结构的三维宏观体材料。内部充斥了大量空气。具有高孔隙率,高比表面积,极低密度的特点。石墨烯气凝胶具有极低的热导率,高吸附性和优异的电化学特性。在电磁波吸收、超级电容器、热绝缘结构、催化等领域具有巨大的优势。利用激光对材料的光热效应及光化学反应,诱导生产石墨烯的方法具有高效率,低成本的优势。
3、通过在碳纤维打印件表面制备具有功能性材料的梯度结构,能够有效改善碳纤维复合材料使用性能,赋予结构具有可设计性的特定功能,从而扩大碳纤维复合材料的使用场景。
技术实现思路
1、本专利技术创新性的提出了一种碳纤维复合材料表面三维石墨烯梯度结构制备方法,该方法结合激光诱导石墨烯与挤出直写,直接在碳纤维打印件表面制备三维石墨烯气凝胶梯度结构。具体的,包括一种激光诱导石墨烯自动化复合3d打印装置
2、为了达到上述目的,本专利技术采取的技术方案为:
3、本专利技术提供一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置,其特征在于,包括:激光光源系统,用于诱导石墨烯化过程;打印平台,用于承载固定碳纤维打印件;打印平台驱动系统,用于驱动打印平台在垂直和水平方向移动;膏料挤出直写系统,用于在碳纤维打印件表面定形定量挤出石墨烯前体膏料。
4、优选地,所述激光光源置于打印平台上方,所述激光光源发射激光范围覆盖打印平台区域,所述激光光源最大能量密度超过5.5j/cm2,所述激光光源系统为紫外激光器、可见光激光器、红外激光器的一种,所述激光光源为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器的一种。
5、优选地,所述打印平台驱动系统包括平台升降控制装置、平台横向位移控制装置;所述平台升降控制装置由驱动电机和传动部件组成,所述驱动电机能够驱动传动部件绕中心轴向转动,用于驱动打印平台垂直方向移动;平台横向位移控制装置,平台横向位移控制装置包括依次设置的被动运动块、连杆、直线导轨,所述被动运动块具有与传动部件连接,所述连杆两端具有螺纹孔,分别与被动运动块和直线导轨连接,用于驱动打印平台水平方向移动;其中,所述驱动电机为伺服电机或步进电机的一种,所述传动部件为滚珠丝杆、螺杆的一种,所述被动运动块和连杆由铝合金、不锈钢的一种材料构成。
6、优选地,所述打印平台底部具有对称螺纹孔,与直线导轨连接,所述打印平台由铝合金、不锈钢的一种材料构成。
7、优选地,所述膏料挤出直写系统包括依次设置的挤出头、连杆、直线导轨,所述连杆两端具有螺纹孔,分别与挤出头和直线导轨连接,所述挤出头顶部连接气压装置,通过气压调节将材料挤出,所述挤出头挤出直径为0.01mm-3mm。
8、本专利技术还提供一种激光诱导石墨烯气凝胶前体膏料制备工艺,该工艺适用于前文描述的一种基于激光诱导原理的石墨烯复合3d打印装置:
9、第一步骤中:首先将聚酰亚胺液体到容器中,再聚酰亚胺颗粒和分散剂,用玻璃棒搅拌为混合物。
10、第二步骤中:将第一步骤得到的混合物超声处理使分散机充分溶于聚酰亚胺液体后,将混合物置于高速分散搅拌机下,对混合物进行充分搅拌分散,得到膏体。
11、第三步骤中:将第二步骤得到的膏体置于高速离心机中进行气泡去除,得到前体膏料。
12、优选地,所述步骤一中聚酰亚胺液体500-700重量份数、聚酰亚胺颗粒500-300重量份数、分散剂1-15重量份数。
13、优选地,所述步骤一中,聚酰亚胺液体为聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺溶液的一种或多种;聚酰亚胺颗粒为粒径小于等于40微米的热塑性聚酰亚胺粉末、粒径大于等于400目的热固性聚酰亚胺粉末、粒径小于等于40微米的热塑性聚醚酰亚胺胺粉末的一种;分散剂为聚氧化乙烯。
14、本专利技术还提供一种碳纤维复合材料表面激光诱导石墨烯气凝胶制造工艺,该方法适用于前文描述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置及一种激光诱导石墨烯前体膏料制备工艺:
15、步骤一中:根据前文描述一种激光诱导石墨烯前体膏料制备工艺,制备激光诱导石墨烯前体膏料;将膏料倒入挤出头腔体。
16、步骤二中:将预制备的碳纤维打印件固定在打印平台上,对打印件表面进行清洁,通过平台升降装置驱动打印平台垂直升降,使碳纤维打印件上表面处在激光光源焦点位置,通过膏料挤出直写系统种直线导轨驱动挤出头的挤出口处于碳纤维打印件上表面水平位置
17、步骤三中:对三维立体结构模型切片处理,得到一系列二维截面切片;将切片文件导入前文描述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置控制软件中。
18、步骤四中:通过软件控制打印平台水平移动到挤出头下方,膏料挤出直写系统控制气压将膏料按照二维切片图像挤出到碳纤维打印件表面进行表面直写;直写完成后,打印平台水平运动到激光光源辐照区域,开启激光器光源,按设定扫描路线、扫描线间距、激光功率、扫描次数、扫描速度对膏料进行二维切片图像扫描,使所述图像的扫描范围内的膏料被激光诱导为石墨烯材料,待该层扫描完成后,打印平台下降设定高度并移动到膏料挤出直写系统挤出头下方,进行第二次直写与激光处理,重复该过程,得到碳纤维复合材料表面三维石墨烯气凝胶梯度结构成型件;
19、本专利技术提供了一种碳纤维复合材料表面三维石墨烯梯度结构制备方法,与现有技术相比,有益效果在于:
20、1.本专利技术提供的激光诱导石墨烯前体膏料制备方法,通过将聚酰亚胺液体与聚酰亚胺颗粒和其他添加剂混合,调节材料配比,实现材料流动性可调以满足3d打印过程。打印后的余料可进行回收,节省原材料,降低用料成本。
21、2.本专利技术提供的激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置通过自动控制层厚和膏料挤出,使激光诱导的石墨烯均匀分布,有效实现梯度结构复杂形状的精确控制。无需人工干预操控,提高制造效率。
22、3.本专利技术提出方法使碳纤维复合材料的多功能化制备具有可设计性、高效性。制造过程可在常温常压进行,无需保护性气氛,易于工程实现。
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1.一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3D打印装置,其特征在于:包括:激光光源系统,用于诱导石墨烯化过程;打印平台,用于承载固定碳纤维打印件;打印平台驱动系统,用于驱动打印平台在垂直和水平方向移动;膏料挤出直写系统,用于在碳纤维打印件表面定形定量挤出石墨烯前体膏料。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3D打印装置,其特征在于:所述激光光源置于打印平台上方,所述激光光源发射激光范围覆盖打印平台区域,所述激光光源最大能量密度超过5.5J/cm2。
3.根据权利要求2所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3D打印装置,其特征在于:所述激光光源系统为紫外激光器、可见光激光器、红外激光器的一种,所述激光光源为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器的一种。
4.根据权利要求1所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3D打印装置,其特征在于:所述打印平台驱动系统包括平台升降控制装置、平台横向位移控制装置;所述平台升降控制装置由驱动电机和传动部件组成,所述驱动电机能够驱动传动部件绕中心轴向转动,用于驱动打印平台垂直方向移动;平
5.根据权利要求4所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3D打印装置,其特征在于:所述驱动电机为伺服电机或步进电机的一种,所述传动部件为滚珠丝杆、螺杆的一种,所述被动运动块和连杆由铝合金、不锈钢的一种材料构成。
6.根据权利要求1所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3D打印装置,其特征在于:所述膏料挤出直写系统包括依次设置的挤出头、连杆、直线导轨,所述连杆两端具有螺纹孔,分别与挤出头和直线导轨连接,所述挤出头顶部连接气压装置,通过气压调节将材料挤出,所述挤出头挤出直径为0.01mm-3mm。
7.一种激光诱导石墨烯气凝胶前体膏料制备工艺,该工艺适用于权利要求1-7任意一项所述的装置,其特征在于:
8.根据权利要求7所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶前体膏料制备工艺,其特征在于:所述步骤一中聚酰亚胺液体500-700重量份数、聚酰亚胺颗粒500-300重量份数、分散剂1-15重量份数。
9.根据权利要求8所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶前体膏料制备工艺,其特征在于:聚酰亚胺液体为聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺溶液的一种或多种;聚酰亚胺颗粒为粒径小于等于40微米的热塑性聚酰亚胺粉末、粒径大于等于400目的热固性聚酰亚胺粉末、粒径小于等于40微米的热塑性聚醚酰亚胺胺粉末的一种;分散剂为聚氧化乙烯。
10.一种碳纤维复合材料表面激光诱导石墨烯气凝胶制造工艺,该工艺适用于权利要求1-9任意一项所述的装置与材料,其特征在于:
...【技术特征摘要】
1.一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置,其特征在于:包括:激光光源系统,用于诱导石墨烯化过程;打印平台,用于承载固定碳纤维打印件;打印平台驱动系统,用于驱动打印平台在垂直和水平方向移动;膏料挤出直写系统,用于在碳纤维打印件表面定形定量挤出石墨烯前体膏料。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置,其特征在于:所述激光光源置于打印平台上方,所述激光光源发射激光范围覆盖打印平台区域,所述激光光源最大能量密度超过5.5j/cm2。
3.根据权利要求2所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置,其特征在于:所述激光光源系统为紫外激光器、可见光激光器、红外激光器的一种,所述激光光源为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器的一种。
4.根据权利要求1所述的一种激光诱导石墨烯气凝胶复合3d打印装置,其特征在于:所述打印平台驱动系统包括平台升降控制装置、平台横向位移控制装置;所述平台升降控制装置由驱动电机和传动部件组成,所述驱动电机能够驱动传动部件绕中心轴向转动,用于驱动打印平台垂直方向移动;平台横向位移控制装置,平台横向位移控制装置包括依次设置的被动运动块、连杆、直线导轨,所述被动运动块具有与传动部件连接,所述连杆两端具有螺纹孔,分别与被动运动块和直线导轨连接,用于驱动打印平台水平方向移动。
5.根据权利要求4所述的一种激光...
【专利技术属性】
技术研发人员:朱伟军,王宁,张志坤,付龙,
申请(专利权)人:北京航空航天大学,
类型:发明
国别省市:
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