面向挤出3D打印工艺的石墨烯/SiC浆料研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:caressliu
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结构-功能一体化陶瓷成为当今陶瓷材料的主要发展趋势,该类陶瓷具有结构陶瓷的力学特性,同时具有功能陶瓷的电、热、磁等功能特性。石墨烯/SiC复合材料具有高强度、高硬度等力学性能,石墨烯又赋予复合材料导电性能和导热性能。采用3D打印技术制备石墨烯/SiC复合材料,为制备轻质、形状和结构可控的网络框架结构器件提供了可行性,拓宽了石墨烯/SiC复合材料的应用范围。本文针对网络框架结构石墨烯/SiC复合材料的浆料挤出3D打印工艺,研究了浆料的成分比例对制备的石墨烯/SiC浆料性能的影响,探究了挤出工艺参数对挤出丝微观结构的调控机理及规律,分析了挤出成形参数对挤出丝打印成形能力的影响,主要研究结果如下:(1)石墨烯/SiC粉体的Zeta电位是随着p H值的增加先降低后增加,在p H=12时体Zeta电位值最低;开发了四种石墨烯含量不同的浆料,四种石墨烯含量为2.0 vol.%、3.80 vol.%、5.40 vol.%、6.80 vol.%的石墨烯/SiC浆料经适量盐酸调节后的粘度范围为35.0~41.0 Pa·s时,可用于挤出打印成形;这四种浆料具有明显的剪切变稀特性、线性粘弹区间和良好的流变性能;其中,3.80 vol.%的石墨烯/SiC浆料中,当固相含量为38 vol.%,分散剂含量为5.0 vol.%时浆料的分散稳定性最好,粘度最低。(2)挤出3D打印工艺中挤出头剪切力作用下石墨烯/SiC浆料挤出丝中石墨烯片的取向排列和梯度分布取决于该浆料挤出丝在打印挤出过程中所受的剪切速率,剪切速率与挤出丝中石墨烯片的取向排列和梯度分布成正相关。挤出速度越大,挤出丝中石墨烯片的取向排列和梯度分布效果越好;挤出头长度越短,挤出丝中石墨烯片的取向排列和梯度分布效果越好;挤出头直径越小,挤出丝中石墨烯片的取向排列和梯度分布效果越好;石墨烯含量越低,挤出丝中石墨烯片的取向排列和梯度分布效果越好。(3)石墨烯含量越高,挤出丝的打印能力越好,在同样的挤出丝跨距下打印成形效果越好;在同一石墨烯含量下,挤出丝跨距越小,挤出丝受到的自身重力作用越小,挤出丝的打印成形能力越好;在同一石墨烯含量和挤出丝跨距下,挤出丝直径越大,挤出丝的自身性能越好,打印成形效果越好。石墨烯含量为2.0vol.%、3.80 vol.%、5.40 vol.%、6.80 vol.%时的最大挤出丝跨距分别为2 mm、4 mm、4 mm、6 mm,最好的挤出丝打印成形的挤出头直径为1.26 mm;打印的网络框架结构体表明石墨烯/SiC浆料具有好的打印网络框架结构的成形能力,所开发的浆料完全可以用于挤出打印成形。
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