中國粉體網(wǎng)訊 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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。自2004年Geim和No-voselov通過機(jī)械剝離法首次成功制備這一劃時(shí)代的新型材料以來，其獨(dú)特的原子晶體結(jié)構(gòu)和電子排布賦予了其獨(dú)一無二的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)特性，使其在高性能電子器件、儲(chǔ)能設(shè)備、智能傳感、生物醫(yī)療、復(fù)合材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，在近十多年間，石墨烯成為橫跨物理、化學(xué)、生物、工業(yè)等學(xué)科領(lǐng)域的交叉研究熱點(diǎn)，得到了全球大量科研學(xué)者和企業(yè)工作人員的關(guān)注。
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金屬3D打印
3D打印技術(shù)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(shù)，目前，金屬3D打印技術(shù)主要包括粉末床熔合技術(shù)(PBF)與定向能量沉積技術(shù)(DED)。PBF技術(shù)又包括選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、選擇性激光熔化成成型術(shù)(SLM)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS)、電子束熔化成型技術(shù)(EBM)等。DED技術(shù)則主要包括直接金屬沉積(DMD)、激光工程化凈成型技術(shù)(LENS)、電子束自由成型制造(EBFFF)、電弧增材制造等。
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SLM是金屬3D打印的常用方法，它是以SLS為基礎(chǔ)發(fā)展而來的快速成型技術(shù)，其基本原理是通過計(jì)算機(jī)三維建模軟件建立三維實(shí)體模型后，切片分層，提取截面輪廓數(shù)據(jù)，給定工藝參數(shù)，由SLM系統(tǒng)根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)完成激光掃描路徑設(shè)計(jì)工作后，利用計(jì)算機(jī)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(gè)加工過程需要在惰性氣體保護(hù)下完成，因此工作室內(nèi)需要有足夠比例的惰性氣體分布，使成型過程不會(huì)出現(xiàn)金屬氧化。
SLM、SLS兩種工藝有關(guān)鍵的差異點(diǎn)，即SLS不會(huì)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(yōu)勢在于金屬零件致密度高達(dá)99%以上，機(jī)械性能可與鍛煉相當(dāng)，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(xù)處理即可成型，但其設(shè)備昂貴，工藝參數(shù)更為復(fù)雜，需要支撐結(jié)構(gòu)支撐整個(gè)成型過程，制造速率也較低。
石墨烯與金屬3D打印的結(jié)合
理想情況下，將石墨烯添加到金屬材料中，會(huì)對(duì)金屬材料的力學(xué)性能及熱性能有很大提升。然而，由于石墨烯為層片狀結(jié)構(gòu)，其易團(tuán)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(dá)到預(yù)期效果。金屬3D打印的激光選區(qū)熔化(SLM)、電子束選區(qū)熔化(EBM)及激光熔覆均可實(shí)現(xiàn)局部的快速熔化與快速冷卻，同時(shí)成型過程為高真空狀態(tài)，可以最大程度保留石墨烯的形態(tài)。科研人員對(duì)3D打印技術(shù)制備石墨烯增強(qiáng)金屬復(fù)合材料展開了大量研究，并取得了一定成果。根據(jù)材料基體的不同，3D打印石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以分為鋁基復(fù)合材料、鎳基復(fù)合材料與其他金屬基復(fù)合材料。
1、鋁基材料
目前，研究石墨烯作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相對(duì)制備滿足航天航空領(lǐng)域的新材料，如輕質(zhì)高強(qiáng)材料，具有重要意義。研究3D打印石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)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(fā)生氧化還原反應(yīng)，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(qiáng)粉末后，很多人研究了石墨烯的加入對(duì)鋁基材料成型過程凝固行為及熱場、應(yīng)力場等的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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(shí)對(duì)石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的硬度有了大幅度的增加。
2、鎳基材料
鎳基復(fù)合材料主要用于制造高溫下工作的零部件。作為增強(qiáng)相，石墨烯具有高的熱穩(wěn)定性及低的熱膨脹系數(shù)，有助于提高鎳基復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度及耐磨性，研究石墨烯增強(qiáng)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(qiáng)鎳基復(fù)合材料時(shí)，SLM的快熱快冷過程對(duì)石墨烯的破壞程度較輕，能夠使其保留完整的片狀結(jié)構(gòu)，從而保留其高耐磨性和高強(qiáng)度。此外，石墨烯的加入細(xì)化了鎳基復(fù)合材料的晶粒，提高了鎳基復(fù)合材料的綜合力學(xué)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(qiáng)的鐵基合金、鈦合金等也引起了研究者的關(guān)注。有研究者通過建模和實(shí)驗(yàn)研究了GNP/Fe復(fù)合材料的制備工藝與性能，發(fā)現(xiàn)GNP在復(fù)合材料中起到負(fù)荷轉(zhuǎn)移的作用，沖擊波穿過復(fù)合材料與石墨烯接觸并反彈，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生了高密度位錯(cuò)，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(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)RGO的存在有利于材料硬度的提高。
總結(jié)
石墨烯及其衍生物由于具備優(yōu)異的綜合性能，開發(fā)其與金屬的功能性復(fù)合材料是未來科學(xué)研究的一部分。3D打印工藝的出現(xiàn)，可以更好解決特殊結(jié)構(gòu)混合構(gòu)架的設(shè)計(jì)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(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)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(fù)合材料中均勻混合以及界面結(jié)合的問題。在激光作用下，研究石墨烯與復(fù)合材料之間的化學(xué)反應(yīng)也非常重要，例如石墨烯與鋁會(huì)反應(yīng)生成Al4C3相，大量的Al4C3相對(duì)復(fù)合材料的影響很大，因此石墨烯與復(fù)合材料的界面結(jié)合機(jī)理值得深入研究。
為給3D打印企業(yè)資源有效整合、實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”緊密結(jié)合提供一個(gè)良好的交流平臺(tái)，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將于2021年5月18日舉辦“2021首屆3D打印粉體材料制備及檢測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”。來自上海工程技術(shù)大學(xué)的張效迅副教授將走進(jìn)本次粉體公開課的直播間，給大家?guī)眍}為《石墨烯對(duì)SLM金屬3D打印的組織性能調(diào)控》的報(bào)告。屆時(shí)，張效迅副教授將從石墨烯二次分散、石墨烯引起金屬基復(fù)合材料相變、石墨烯改善微觀組織和性能、石墨烯大幅提升材料力學(xué)性能等方面向大家講解石墨烯與金屬3D打印結(jié)合所帶來的奇妙現(xiàn)象。
專家介紹
張效迅，上海交通大學(xué)材料加工工程專業(yè)博士，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校諾貝爾獎(jiǎng)候選人Jacob Israelachvili課題組訪問學(xué)者。中國3D打印材料理事會(huì)理事，全國材料成型及控制工程學(xué)科教學(xué)委員會(huì)塑性成形分會(huì)委員。上海市浦江人才、浙江省南太湖精英、上海市優(yōu)青項(xiàng)目獲得者、上海工程技術(shù)大學(xué)副教授、教學(xué)明星。中國石墨烯3D打印商業(yè)化推動(dòng)者和創(chuàng)新者。
功能化和自然化導(dǎo)向的3D打印公司“鑫烯三維科技(PMG 3D Tech)”的聯(lián)合創(chuàng)始人，創(chuàng)立了石墨烯3D打印材料品牌“GraphenePLA”，成功研發(fā)了石墨烯3D打印系列材料；創(chuàng)立了3D打印隨形冷卻模具品牌“ConfoCool”，運(yùn)用隨形冷卻方案推動(dòng)傳統(tǒng)企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)升級(jí)；積極開展教育教學(xué)，致力于提升學(xué)員科技能力，為科技強(qiáng)國貢獻(xiàn)自己的專業(yè)技能。
持續(xù)15年的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在高分子材料、金屬材料、納米材料及其成形控性等方面具有深厚的理論底蘊(yùn)和豐富的科技經(jīng)驗(yàn)，解決了大量的技術(shù)難題。發(fā)表論文50多篇，申報(bào)專利20余項(xiàng)。擔(dān)任3份國際期刊審稿人。擁有4年的上市公司工作經(jīng)驗(yàn)。
參考來源：
[1]儀登豪等.3D打印石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料研究進(jìn)展
[2]王玉等.3D打印石墨烯基功能材料的研究進(jìn)展
[3]武王凱等.金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及其趨勢
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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