石墨烯粉體

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石墨烯與金屬3D打印結合會發生怎樣的奇妙現象?

2021-04-29 17:15:39

石墨烯(graphene)是從石墨中剝離出來的單原子層二維晶體,由碳原子以sp2電子軌道雜化形成的具有六角型蜂巢晶格狀二維點陣結構。自2004年Geim和No-voselov通過機械剝離法首次成功制備這一劃時代的新型材料以來,其獨特的原子晶體結構和電子排布賦予了其獨 一無二的力學、電學、熱學、光學和化學特性,使其在高性能電子器件、儲能設備、智能傳感、生物醫療、復合材料等領域展現出了廣闊的應用前景。同時,在近十多年間,石墨烯成為橫跨物理、化學、生物、工業等學科領域的交叉研究熱點,得到了全球大量科研學者和企業工作人員的關注。


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(圖片來源于網絡)

 

金屬3D打印

 

3D打印技術是將原材料采用層層堆積法使其成型的一種增材制造新技術,目前,金屬3D打印技術主要包括粉末床熔合技術(PBF)與定向能量沉積技術(DED)。PBF技術又包括選擇性激光燒結技術(SLS)、選擇性激光熔化成成型術(SLM)、直接金屬激光燒結技術(DMLS)、電子束熔化成型技術(EBM)等。DED技術則主要包括直接金屬沉積(DMD)、激光工程化凈成型技術(LENS)、電子束自由成型制造(EBFFF)、電弧增材制造等。

 

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(圖片來源于網絡 )

 

SLM是金屬3D打印的常用方法,它是以SLS為基礎發展而來的快速成型技術,其基本原理是通過計算機三維建模軟件建立三維實體模型后,切片分層,提取截面輪廓數據,給定工藝參數,由SLM系統根據輪廓數據完成激光掃描路徑設計工作后,利用計算機控制激光束按照給定路徑逐層熔化金屬粉末,層層堆積逐漸成型。整個加工過程需要在惰性氣體保護下完成,因此工作室內需要有足夠比例的惰性氣體分布,使成型過程不會出現金屬氧化。

SLM、SLS兩種工藝有關鍵的差異點,即SLS不會要求每一層金屬粉末完全熔化,SLM則相反,金屬粉末必須完全熔化后,再通過冷卻凝固成型,其優勢在于金屬零件致密度高達99%以上,機械性能可與鍛煉相當,尺寸精度高,表面粗糙度低,材料適用范圍更廣,且利用率更高,無需后續處理即可成型,但其設備昂貴,工藝參數更為復雜,需要支撐結構支撐整個成型過程,制造速率也較低。

 

石墨烯與金屬3D打印的結合

 

理想情況下,將石墨烯添加到金屬材料中,會對金屬材料的力學性能及熱性能有很大提升。然而,由于石墨烯為層片狀結構,其易團聚、密度較低(與金屬材料的密度差異很大),直接將其添加到金屬中難以達到預期效果。金屬3D打印的激光選區熔化(SLM)、電子束選區熔化(EBM)及激光熔覆均可實現局部的快速熔化與快速冷卻,同時成型過程為高真空狀態,可以大程度保留石墨烯的形態。科研人員對3D打印技術制備石墨烯增強金屬復合材料展開了大量研究,并取得了一定成果。根據材料基體的不同,3D打印石墨烯增強金屬基復合材料可以分為鋁基復合材料、鎳基復合材料與其他金屬基復合材料。

 

1、鋁基材料

 

目前,研究石墨烯作為金屬基復合材料的增強相對制備滿足航天航空領域的新材料,如輕質高強材料,具有重要意義。研究3D打印石墨烯增強鋁基復合材料,首先要保證石墨烯的分散性。有研究者采用烷基鋁與石墨烯發生氧化還原反應,得到鍍鋁石墨烯,然后使用真空球磨的方法混合鍍鋁石墨烯和AlSi10Mg粉末,獲得的粉末可用于SLM成型。

 

獲得合適的石墨烯增強粉末后,很多人研究了石墨烯的加入對鋁基材料成型過程凝固行為及熱場、應力場等的影響。結果發現:基于SLM快冷快熱的成型過程,石墨烯的存在增大了熔池的混亂度和粘度,加快了熔池的冷卻速率,使其更易于形成非晶。同時對石墨烯增強鋁基復合材料的力學性能進行測試,發現隨著石墨烯含量的增加,復合材料的硬度有了大幅度的增加。

 

2、鎳基材料

 

鎳基復合材料主要用于制造高溫下工作的零部件。作為增強相,石墨烯具有高的熱穩定性及低的熱膨脹系數,有助于提高鎳基復合材料的高溫強度及耐磨性,研究石墨烯增強鎳基高溫材料有望制得高性能的高溫合金。采用3D打印石墨烯增強鎳基復合材料時,SLM的快熱快冷過程對石墨烯的破壞程度較輕,能夠使其保留完整的片狀結構,從而保留其高耐磨性和高強度。此外,石墨烯的加入細化了鎳基復合材料的晶粒,提高了鎳基復合材料的綜合力學性能。

 

3、其他金屬基材料

 

除了鋁基與鎳基合金外,石墨烯增強的鐵基合金、鈦合金等也引起了研究者的關注。有研究者通過建模和實驗研究了GNP/Fe復合材料的制備工藝與性能,發現GNP在復合材料中起到負荷轉移的作用,沖擊波穿過復合材料與石墨烯接觸并反彈,使得材料內部產生了高密度位錯,GNP/Fe界面周圍生成納米化褶皺。另外通過選擇性激光熔化制備Ti-48Al-2Cr-2Nb/RGO金屬基復合材料,發現RGO的存在有利于材料硬度的提高。

 

總結

 

石墨烯及其衍生物由于具備優異的綜合性能,開發其與金屬的功能性復合材料是未來科學研究的一部分。3D打印工藝的出現,可以更好解決特殊結構混合構架的設計和形成。

 

但需要注意的是,石墨烯的加入能在很大程度上改善復合材料的力學性能和電學性能等,但是由于石墨烯與金屬的潤濕性差異大,無法保證石墨烯在復合材料中均勻混合以及界面結合的問題。在激光作用下,研究石墨烯與復合材料之間的化學反應也非常重要,例如石墨烯與鋁會反應生成Al4C3相,大量的Al4C3相對復合材料的影響很大,因此石墨烯與復合材料的界面結合機理值得深入研究。

注:圖片非商業用途,存在侵權告知刪除

 

(來源:中國粉體網)


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