1、2 3D打印的材料及工艺,浙江机电职业技术学院 材料工程学院 张 伟 13968047920 67058473,3D打印未来最赚钱的部分之一：材料。美国巨头3D System测算，未来3年，材料部分将成为3D行业最大的利润来源。还记得惠普打印机是怎么赚钱的吗？没错，卖硒鼓墨盒！,2.1 3D打印常用材料 2.2 材料的制备方法 2.3 材料的性能 2.4 材料发展趋势,2 3D打印的材料及工艺,3D打印主要由设备、软件、材料三部分组成，其中材料是不可或缺的环节。而现在业界主要研究的是设备和软件，对材料研究还不够重视。材料瓶颈已经成为限制3D打印发展的首要问题。因为未来3D打印的真正发展将在高
2、端领域即工业应用，而目前高端打印材料的发展尚无法满足3D打印技术发展的需要。,材料基因组计划（又名Materials Genome Institute），简称MGI。2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系“(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而“材料基因组计划“(Materials Genome Initiative,MGI)作为AMP计划中的重要组成部分，投资将超过1亿美元。,美国材料基因组计划,材料基因组计划拟通过新材料研制周期
3、内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。材料基因组计划项目在2012年已投入1亿美元。,2012年12月21日，材料科学系统工程发展战略研究中国版材料基因组计划重大项目启动会在中国工程院召开。会议由屠海令院士主持。项目组总顾问徐匡迪院士和清华大学原校长顾秉林院士出席了会议。才鸿年、崔俊芝、范守善、顾秉林、南策文、沈宝根、王崇愚、王鼎盛、王海舟
4、、王一德、徐惠彬等近40位院士专家分别作为项目组顾问和课题组负责人出席了会议。,中国材料基因组计划,2.1 3D打印常用材料 2.1.1 材料面临的问题 2.1.2 塑料 2.1.3 光敏树脂 2.1.4 金属材料 2.1.5 复合材料 2.1.6 其他材料,2 3D打印的材料及工艺,理论上来说，所有的材料都可以用于3D打印，但目前主要以石膏、光敏树脂、塑料为主，这很难满足大众用户的需求。特别是工业级的3D 打印材料更是十分有限，目前适用的金属材料只有10 余种，而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机，即选择性激光烧结(SLS)、选择
5、性激光熔化(SLM、DLS)、激光直接金属堆积(DMD)技术。,2.1 3D打印常用材料,2 3D打印的材料及工艺,2.1.1 材料面临的问题,目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是：（1）可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展；（2）打印流畅性不足；（3）材料强度不够；（4）材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾；(5）材料标准化及系列化规范的制定。3D打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高。但目前还没有形成一个行业性的标准，因此在材料特性的选择上前期要花很长的时间。,2.1 3D打印常用材料,2.1.1 材料面临的问题,塑料是指以树脂为基础原料，加入各种添加剂
6、，在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,一、塑料的组成,塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。 树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。,塑料制品,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,树脂 指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物，它是塑料最基本的成分，决定塑料的类型和基本性能。,(1) 树脂的概念,1树脂,(2）树脂的作用胶粘其它成分材料 赋予塑料可塑性和流动性。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,(3) 树脂的分类,天然树脂 是指由自然界中动植物
7、分泌物所得的无定形有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。,合成树脂 是人们模仿天然树脂的成分，用化学人工合成方法制取的树脂，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂等。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。 填料(填充剂)主要起增强作用； 增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性； 固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； 稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命； 润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上, 使制品光亮； 着色剂用于塑料制品着色。 其他的还有发泡剂、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等。,添加剂,2.添加剂,2.1 3D打印常用材料,
8、2.1.2 塑料, 在受热或其它条件下能固化成不熔性物质的塑料 ，其分子结构最终为网状结构。变化过程不可逆。热固性塑料常用于压缩成型，有的也可以采用注射成型。,二、塑料的分类,1按成型性能分类：, 指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，其分子结构是链状或枝状结构。变化过程可逆。热塑性塑料常采用注射、挤出或吹塑等方法成型。,热塑性塑料,热固性塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,热塑性塑料受热时软化，冷却后变硬，具有可塑性和重复性，其树脂结构为线性或支链型，弹性、塑性好，硬度低。 热固性塑料加热固化后不再软化，形成不溶、不熔物，其树脂结构为体型（网状型），硬度高，脆性大，
9、无弹性和塑性。,二、塑料的分类,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,表2-1 常用热塑性塑料和热固性塑料,通用塑料 产量大、用途广、价格低、性能一般的塑料，常用作非结构材料。如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大类，其产量约占世界塑料总产量的80%。,二、塑料的分类,2按用途分类：,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,工程塑料 能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸醋、聚苯醚、聚苯硫醚、聚矾、聚酰亚胺、聚醚醚酮以及各种增强塑料( 加入玻璃纤维、布纤维等)
10、 。,特种塑料 一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等）应用于特殊用途的塑料。如医用塑料、光敏塑料、导磁塑料、超导电塑料、耐辐射塑料、耐高温塑料等。,通用塑料产品,塑料,塑料,工程塑料,三、塑料的性能特点 塑料的优点： 相对密度小(一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能；良好的工艺性能 。,塑料的缺点： 刚性差(为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,四、3D打印常用塑料,在3D打印领域，塑料是最常用的打印材
11、料，常用塑料的种类有：ABS塑料、PLA(聚乳酸）、尼龙、PC、玻璃填充聚胺，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120种软硬不同的新材料。,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,材料说明： 尼龙12，具有良好的力学性能和生物相容性，经认证达到食品安全等级，高精细度，性能稳定，能承受高温烤漆和金属喷涂，适用于制作展示模型、功能部件、真空铸造原型、最终产品和零配件。它的表面是有一种沙沙的、粉末的质感，也略微有些疏松。 材料应用：汽车、家电、电子消费品 材料颜色：白色 材料热变形温度：110 市场价位：20元-27元/千克,汽车方向盘样件,尼龙,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材
12、料,2.1.2 塑料,材料说明：优秀的尺寸精度，表面质量高，性能稳定，在高温下气化，灰粉残余物极低。 材料应用：适用于制作融模铸造、石膏铸造、陶瓷铸造和真空铸造原型。,聚苯乙烯,涡轮增压器外壳,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,多色树脂,材料说明：系列材料集尺寸稳定性和细节可视性于一身，适用于模拟标准塑料和制作模型，可实现逼真的最终产品效果。 非常适用于：广泛的装配与外观测试、活动部件与组装部件、展览与营销模型、电子元件的组装、非常适用于硅胶模具 材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：白色蓝色黑色 材料热变形温度：45 市场价位：2
13、5元-30元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,半透明树脂,材料说明：集高尺寸稳定性、生物相容性和表面平滑度于一身的标准塑料模拟材料。 非常适用于： 透明或透视部件的成形和拟合测试 、玻璃、眼镜、灯罩、灯箱 、液流的可视化、彩染、医疗、艺术与展览模型 材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：半透明微黄 材料热变形温度：45 市场价位：800元-880元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,聚乳酸（聚丙交酯）PLA,热稳定性好，加工温度170230，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工。由聚乳酸
14、制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，有的聚乳酸（PLA）还具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性。,使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,ABS,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,ABS是常用的一种3D打印塑料之一。ABS塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。
15、ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和烃类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃中。ABS塑料的缺点：热变形温度较低，可燃，耐候性较差。,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,ABS-ESD防静电塑料材料,材料说明：ABS-ESD7是一种基于ABS-M30的热塑性工程塑料，具备静电消散性能，可以用于防止静电堆积。主要用于易被静电损坏、降低产品性能或引起爆炸的物体。因为ABS-ESD7防止静电积累，因此它不会导致静态震动也不会造成象粉末、尘土和微粒的微小颗粒的物体表面吸附。该材料是理想的用于电路板等电子产品的包装和运输。广泛用于电子元器件的装配夹具和辅助
16、工具。 材料应用：电子消费品、包装行业 材料颜色：黑色 材料热变形温度：90 市场价位：50元-100元/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,PC材料 PC-ISO材料 PC-ABS材料,材料说明：PC材料是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性。高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲，可以作为最终零部件使用。使用PC材料制作的样件，可以直接装配使用，广泛应用于交通工具及家电行业。PC的强度比ABS材料高出60%左右，具备超强的工程材料属性！ 材料应用：电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：白色 材料热变形温度：138 市场价格：20元-42元
17、/千克,四、3D打印常用塑料,2.1 3D打印常用材料,2.1.2 塑料,光敏树脂 即是UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250-300纳米）照射下立刻引起聚合反应完成固化。,2.1 3D打印常用材料,2.1.3 光敏树脂,树脂材料Somos 11122,材料说明：Somos 11122看上去更像是真实透明的塑料,具有防水和尺寸稳定性。 应用：Somos 11122 提供多种类似工程塑料的特性。这些特性使它很适合用在汽车、医药、电子类消费、透镜、包装、流体分析、RTV翻模、耐用的概念模型、 风洞试验、快速铸造等。 材料应用：汽车
18、、家电、电子消费品 材料颜色：透明 市场价位：800元-880元/千克,2.1 3D打印常用材料,2.1.3 光敏树脂,Somos 19120:材料为粉红色材质，铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开模具的风险，大大缩短周期。拥有低留灰烬和高精度等特点。,Somos Next:材料为白色材质，类PC新材料，材料韧性较好，精度和表面质量更佳，制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。,环氧树脂（类透明pc类）,材料说明：这种便于铸造的激光快速成型树脂： 含灰量极低 (1500 F时的残留含灰量0.01%) 可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系 不含重金属锑 可用于制造极其精密的快速铸造
19、型模。 材料应用：汽车、家电、电子消费品 材料颜色：透明 市场价位：800元-880元/千克,2.1 3D打印常用材料,2.1.3 光敏树脂,3D打印材料中以金属粉末应用市场最为广阔。因此，直接用金属粉末烧结成型三维零件是快速成形制造最终目标之一。由于各种金属材料的化学成分、物理性质不同，因此成型的机理也各具特征，对金属粉末的性能要求也更为严苛。目前仅德国的EOS公司能生产出有限的几种金属粉末，如：不锈钢粉、铝硅粉、钛合金粉，但价格是传统粉体的10-20 倍。,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,不锈钢,材料说明:不锈钢材料，具有很好的抗腐蚀及机械性能，适用于功能性原型件和系列零件
20、，被广泛应用于工程和医疗领域。不锈钢打印在金属打印上来讲算是最便宜的一种打印形式，既具有高强度，又适合打印大物品。 材料应用：家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：玫瑰金、钛金、紫金、银白色、蓝色 材料热变形温度：不同规格有不同的温度,涡轮发动机燃烧室，薄壁、复杂零部件,中空的手术器械，个性化定制,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,特高强度钢，如马氏体钢、H13钢等，适用于注塑模具，工程零件。,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,铁镍合金,主要是用于高温下苛求优异的机械和化学特性的合金。主要拥挤航空航天工业的动力涡轮机和相关零件的制造，在高达700C的温度下，
21、该合金具有极佳的蠕变断裂强度。,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,一种基于钴铬钼超耐热合金材料，它具有优秀的机械性能、高抗腐蚀及抗温特性，被广泛应用于生物医学及航空航天。,钴铬钼超耐热合金CobaltChromeMP1,膝关节植入体,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,CobaltChrome SP2,材料成分与CobaltChromeMP1基本相同，抗腐蚀性较MP1更强，目前主要应用于牙科义齿的的批量制造，包括牙冠、桥体等,义齿,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,详细说明：生产最终使用的金属样件，质量可媲美开模加工的模型。钛合金模型的强度非常高，尺寸精
22、密，能制作的最小细节的尺寸为0.1mm。 材料应用：家电、汽车制造、航空航天、医疗器械 材料颜色：银白色 材料热变形温度：熔点1672,钛合金,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,铝合金 强度：高； 细节：好； 表面光滑度：高； 适用设备： EOS M金属粉末烧结成型设备,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,铜合金，具有良好的机械性能、优秀的细节表现及表面质量、易于打磨、良好的收缩性可使烧结的样件达到很高的精度，适用于注塑模具和功能性原型件的制造。,铜合金,叶轮原型件，用于风洞测试和装配测试等,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,金,材料说明：先将您的设计打
23、印成一个蜡制样件，熔化的金料注入到用蜡制样件做出的模具内。通常情况下这样做出来的金件需要手工打磨才能完成。 材料应用：首饰、人像、纪念品 材料颜色：金黄 材料热变形温度：熔点1064.18 C 市场价位：278元/克,2.1 3D打印常用材料,2.1.4 金属材料,材料说明：此种材料是一种坚固的标准银。银是一种导热导电性很强的金属，将其打磨后则表明非常明亮，并且极具延伸性。 材料应用：首饰、人像、纪念品 材料颜色：银白色 材料热变形温度：熔点： 1234.93 K,镀银,2.1 3D打印常用材料,2.1.5 复合材料,材料说明：尼龙铝模型是由一种灰色铝粉及腈纶混合物制作而成。尼龙铝是一种高强度
24、并且硬挺的材料，做成的样件能够承受较小的冲击力，并能在弯曲状态下抵抗一些压力。尺寸精度高，高强度，金属外观，适用于制作展示模型，模具镶件、夹具和小批量制造模具。 材料应用：飞机、汽车、火车、船舶、宇宙火箭、航天飞机、人造卫星、化学反应器、医疗器械、冷冻装置 材料颜色：银白色 材料热变形温度：（熔点660）,尼龙铝,非金属+金属,橡胶产品注塑模具,2.1 3D打印常用材料,2.1.5 复合材料,碳纤维和尼龙12的混合材料，重量轻，机械性能强，高电阻，适用于制作全功能部件和用来做风洞实验的表面精致的样件。,轴承座,非金属+非金属,2.1 3D打印常用材料,2.1.5 复合材料,尼龙玻纤(玻璃纤维和
25、尼龙),材料说明：尼龙玻纤外观是一种白色的粉末。比起普通塑料，其拉伸强度、弯曲强度有所增强，具有极好的刚硬度，非常耐磨，耐热，性能稳定，能承受高温烤漆和金属喷涂，适用于制作展示模型，外壳件，高强度机械结构测试和短时间受热使用的零件，耐磨损零件。热变形温度以及材料的模量有所提高，材料的收缩率减小了，但材料表面变粗糙，冲击强度降低。 材料应用：汽车、家电、电子消费品 材料颜色：白色 材料热变形温度：110 市场价位：22元-48元/千克,2.1 3D打印常用材料,2.1.5 复合材料,彩色石膏材料,材料说明：材料本身基于石膏的，易碎，坚固，色彩清晰。材料感觉起来很像岩石。按照需要使用不同的浸润方法
26、，如低熔点蜡、Zbond 101、ZMax 90（强度依次递减）。全彩色3D打印模型易碎。基于在粉末介质上逐层打印的成型原理，3D打印成品在处理完毕后，表面可能出现细微的颗粒效果，在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理。 材料应用：动漫，玩偶，建筑等 材料颜色：全彩色 材料热变形温度：200 市场价位：35元-40元/25千克,2.1 3D打印常用材料,2.1.6 其他材料,橡胶类材料,材料说明：橡胶类具备多种级别的弹性材料特征：这些材料所具备的肖氏 A 级硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域，如消费类电子产品、医疗设备和汽车内饰。 非常适用于：展览与
27、交流模型 、橡胶包裹层和覆膜、柔软触感涂层和防滑表面、旋钮、把手、拉手、把手垫片、封条、橡皮软管、鞋类。 材料应用：轮胎，垫片等 材料颜色：黑色 材料热变形温度：50 市场价位：26元-46元/千克,2.1 3D打印常用材料,2.1.6 其他材料,生物材料 用于各生物支架的制造 适用设备： 3D-Bioplotter 第四代生,建筑材料 食品材料,2.1 3D打印常用材料,2.1.6 其他材料,2.1 3D打印常用材料 2.2 材料的制备方法 2.3 材料的性能 2.4 材料的结构、凝固组织与控制 2.5 材料发展趋势,2 3D打印的材料及工艺,2 3D打印的材料及工艺,2.2 材料的制备方法
28、 2.2.1丝材挤出成形 2.2.2粉末制备方法(1)机械粉碎(2)喷雾快速冷却(3) 气相沉积 2.2.3片材模压成形,2.2.1挤出成形,挤出成型是使高聚物的熔体（或黏性流体）在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材。挤出成型工艺是塑料型材的主要成型工艺之一。挤出模具包括机头和定型套，挤塑制品的截面形状和尺寸决定于机头上安装的口模。,2.2 材料的制备方法,挤出成型特点,1 连续化操作,生产效率高,2 应用范围广，用途多，产品品种多,3 设备简单，操作简单，投资少,见效快,4 制品质量均匀密实，各向异性少，尺寸较稳定,2.2.1挤
29、出成形,2.2 材料的制备方法,挤出成型设备,挤出成型设备,主机部分,以螺杆挤出机为主,辅机部分,口模以后部分,控制系统,1. 主机、辅机速度 匹配； 2. 控制温度和压力等,2.2.1挤出成形,2.2 材料的制备方法,2.2.1挤出成形,2.2 材料的制备方法,挤出成型系统示意图 1挤出机2机头3冷却定型装置4牵引装置5切断器6卸料槽,2.2.1挤出成形,2.2 材料的制备方法,单丝挤出成型,2.2.1挤出成形,2.2 材料的制备方法,单丝挤出成型,从过程的实质来看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借
30、助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。,2.2.2粉末制备方法,2.2 材料的制备方法,（1）机械粉碎法利用粉碎工艺得到的塑料粉末是绝大多数塑胶都可以实现的，有些塑料常温下通过粉碎机的摩擦、撞击、撕裂等得到200um的细粉，如玻璃化温度比较高的塑料。但大多数的塑料在粉碎过程中产生的热量足以将其熔融，又重新粘结在一起，对粉碎带来困能。如需要得到更细的塑料粉末就很困难了。通过低温粉碎方法粉碎塑料可以达到我们需要的要求。 低温粉碎的可行性：通过冷谋将塑料
31、降到其脆化温度以下，同时保证在粉碎过程中有足够的冷谋来带走其分裂过程中产生的热量，达到粉碎要求。在低温深冷粉碎环境中采用撞击法粉碎的塑料是现在高品质要求的趋向。,2.2.2粉末制备方法,2.2 材料的制备方法,作为粉末冶金新技术，第一个引入注目的技术就是快速凝固制粉技术，快速冷凝制取金属粉末是指金属或合金的熔滴通过急剧冷却，形成非晶、准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动了粉末冶金的发展。,2.2.2粉末制备方法,2.2 材料的制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术
32、,雾化技术特点:使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。,2.2.2粉末制备方法,2.2 材料的制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术, 水雾化法 气体雾化法 超声气体雾化 高速旋转筒雾化法,流体雾化法,离心雾化法,机械雾化法,快速凝固雾化法旋转电极雾化法,机械力作用电场力作用其他作用,雾化技术分类：,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,1. 流体雾化法通过高速、高压的工作介质流体对熔体流的冲击把熔体分离成很细的熔滴，并通过对流的方式散热而实现快速冷却凝固。熔体的冷却速度主要由工作介质的密度、熔体和
33、工作介质的传热能力、熔滴的直径决定，而熔滴的直径手熔体过热温度、熔体流直径、雾化压力和喷嘴设计等雾化参数控制。,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,1. 流体雾化法： （a）水雾化法：水雾化法即为熔体流在高压高速水流的冲击下，经过片状、线状、熔滴状三个阶段逐步分离雾化，并在水流冷却下凝固成粉末。图中：1、熔体2、石英管3、水流4、熔滴,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,1. 流体雾化法： （b）气体雾化法 ：与水雾法相比，如果雾化 熔体的流体不用水而用空气或 惰性气体，则为气体雾化法。右图为气雾法制粉装置示意图， 图中自上而下分别为：电源、坩埚、 雾化气体
34、、喷嘴、粉末、真空泵 收集器。,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,水雾化法与气雾化法比较：水雾化法与气雾化法的优点：设备比较简单，工艺简单，操作容易，可以成吨大量连续生产 缺点： 能达到的冷却速率比较低，粉末的粒度及其分布的影响因素较多，不易精确控制，且粉末易氧化,1. 流体雾化法：,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,1. 流体雾化法： （c）超声气体雾化法：超声气体雾化法的主要设备与水雾化法相似，但是用速度高达850 m/s的高速高频（80100kHz）脉冲气流代替了水流。高速高频脉冲气流可以把熔体流分离成更细、更均匀的熔滴，并且熔体也不像水雾化法中经
35、过三个阶段，而是直接分离成细小熔滴凝固成粉末，制备的粉末更细。超声气体雾化法已成功应用于高温合金和铝合金粉末的制备。,几种方法制得粉末的平均直径比较（ m ）,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,1. 流体雾化法： （d）高速旋转筒雾化法：如下图所示：经感应加热融化后的熔体流从石英管中喷射到旋转筒内层的淬火液（水、碳氢化合物或低温流体）中，熔体流在旋转淬火液的冲击下雾化分离成熔滴并冷却凝固成纤维或粉末，然后在离心力的作用下飞出。 图中：1、冷却液2、旋转筒3、感应线圈4、熔体5、石英管,2.2.2粉末制备方法,（ 2)快速冷凝雾化制粉技术,1. 流体雾化法： （d）高速旋转筒
36、雾化法：高速旋转筒雾化法优点：可以获得较高的冷却速率。现今，高速旋转筒雾化法已经应用于快速凝固高温合金、各种钢、铝和铜等有色合金的生产中。,2.2.2粉末制备方法,（2)快速冷凝雾化制粉技术,2. 离心雾化法：离心雾化法主要包括快速凝固雾化法和旋转电极雾化法。在离心雾化法中，熔体在旋转衬底的冲击和离心力的作用下雾化，同时通过传导和对流的方式传热。优点： 生产效率高，可以连续运作适于大批量生产,2.2.2粉末制备方法,（2)快速冷凝雾化制粉技术,2. 离心雾化法： （a）快速凝固雾化法：该方法中，熔化的合金熔体 从石英坩埚中喷到一个表面刻有 沟槽的圆盘形雾化器上，圆盘以 高达3500r/min的
37、速度旋转，喷到盘上的熔体雾化成小小的熔滴并在离心力的作用下向外飞出，同时惰性气体流沿与熔滴运动几乎垂直的方向高速流动，是熔滴迅速凝固成粉末。,图中： 1、冷却气体 2、旋转雾化器 3、粉末 4、熔体,2.2.2粉末制备方法,（2)快速冷凝雾化制粉技术,2. 离心雾化法： （a）快速凝固雾化法：优点： 1）凝固冷却速率大，一般可达105K/s；2）粉末的尺寸与分布是可控的。因为快速凝固雾化法中旋转雾化器的转速约为比熔体旋转法中的辊轮转速大10倍，所以熔体与雾化器接触的时间很短，熔滴主要是在与气流接触时通过对流传热冷却凝固的。而通过改变熔体喷出速度和雾化器的尺寸及转速，可以控制粉末的尺寸与分布。缺
38、点：当合金的熔点较高时，石英管喷嘴容易损坏。,2.2.2粉末制备方法,（2)快速冷凝雾化制粉技术,3.机械雾化和其它雾化法,这类雾化方法是通过机械力的作用或者电场力等其它作用分离和雾化熔体然后冷凝成粉末。 A.双辊雾化法 (Twin Roll Atomization)熔体流在喷入高速相对旋转的辊轮间隙时形成空穴并被分离成直径小至30m的熔滴，雾化的熔滴可经气流、水流或固定于两辊间隙下方的第三个辊轮冷却凝固成不规则的粉末或薄片。,2.2.2粉末制备方法,（2)快速冷凝雾化制粉技术,超微粉末在使用过程中必须具有以下特点：粉末颗粒表面洁净；粉末的粒径和粒径分布可以控制；粉末的稳定性好，易于储存；粉末
39、的产率、产量高等。 气相法是制备超微粉末的有效方法，主要特点是：粉末的生成(反应)条件易于调节，可以控制超微粉末的粒度，粉末的纯度高。 气相法制备超微粉末技术分为两大类，一类是蒸发凝聚法，一类是气相化学反应法。 采用气相法制备超微粒子时，无论采用哪种具体工艺，都会涉及气相中粒子形核、晶核长大、凝聚等一系列粒子生长基本过程。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,气相法制备技术,蒸发凝聚法 低压惰性气体中蒸发凝聚法等离子体蒸发法 阴极溅射法 流动油面上真空蒸发法 通电加热法 气相化学反应法制备技术,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,2.2 材料的制备方法,一、蒸发凝聚法,基本
40、概念：蒸发凝聚法是将金属、合金、金属化合物、陶瓷等材料加热，产生蒸气，并将蒸气冷却凝聚，发生形核、长大，生成超微粉末的技术。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,2.2 材料的制备方法,1. 低压惰性气体中蒸发凝聚法,在1100Torr的低压高纯惰性气体(Ar气或He气等)中加热蒸发金属或合金原料，产生金属蒸气，蒸发原子在与惰性气体分子碰撞过程中失去动能，发生形核、长大而生成超微粉末。,加热源：电阻加热、感应电流加热、电子束加热、激光束加热、电弧加热以及等离子火焰等。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,技术优点： 粉末的纯度极高； 粉末颗粒是在准热平衡状态下生成的，颗粒的
41、结晶性好； 粉末的粒度可以通过调整蒸发温度和惰性气体的压力来控制，可以得到粒度分分布范围很窄的超微粉末； 适合于制备一切能够进行蒸发的材料的超微粉末。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,(1)电阻加热蒸发法,优点： 缺点：电阻材料的损耗大，易在超微粉末中带入杂质，每次投料量很少。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,(2)电弧放电加热蒸发法,在水冷铜坩锅和高融点金属电极之间放电，产生数万伏的脉冲电压，使放置在水冷铜坩锅的中的金属试料表面产生极高温度，进行蒸发冷凝，就可以得到超微粉末。放电电压随稀薄气体的种类、电极的形状和放置位置不同而不同，为了形成稳定的放电电压上述条件应
42、该稳定不变。,采用这种方法能够制备高熔点金属的超微粉末，但不足之处是粉末粒度分布宽，粒度尺寸难地控制。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,(3)感应电流加热蒸发法,原理：以中、高频感应电流加热坩埚内的金属原料，在低压(110KPa)的He、Ar等惰性气体中进行蒸发，金属蒸气原子在与惰性气体原子发生碰撞的过程中冷却，凝聚而形成超微粒子。蒸发金属用的坩埚一般选用刚玉(Al2O3)、ZrO2、BN等陶瓷。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,关键技术问题：蒸发源、粉末收集超微粉末的收集采用流动的惰性气体进行动态沉积进行捕收，这种捕收方式不仅可以降低装置内的温度，促进金属的蒸发及
43、金属蒸气形核，开可以驱使初生的超微粒子迅速离开蒸发源，得到抑制粉末粒度的效果。 水平：感应电流加热蒸发法制备超微粉末的装置规格已经达到520m，超微粉末的月产量已经达到吨级。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,(4)电子束加热蒸发法,电子束加热方法在金属焊接和蒸发镀膜等微细加工中有着重要的应用，操作一般是在高真空中进行的。若装置内残余气体分子数量过多，则电子就会与气体分子发生碰撞，产生散射作用，降低电子束的加热效果。要采用电子束加热蒸发法制备超微粉末，必须克服这一矛盾。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,工艺特点：能量密度高，加热速度快，加热温度高，不仅可以蒸发常规金属
44、，尤其适合于蒸发高熔点金属如W、Mo、Ta、Ti、Pt及化合物超微粉末。对于在高温下容易与坩埚起反应的材料更有效。采用电子束加热蒸发法制备的超微粉末粒度分布非常窄，可以获得粒径在几个nm的粉末，且粉末的纯度高。 不足之处：粉末的产量不高。 现在已经开发出了功率达100KV的电子枪，电子束流强度为50mA，粉末的产率可以达到数g/h。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,(5)激光加热蒸发法,激光加热蒸发法是一种将连续且高能量密度的辐射光源(CO2激光、YAG激光)透过激光器窗口聚集在固体表面上，使其蒸发的物理方法。由于激光束的功率密度可以达到104W/cm2以上，激光照射在物体表面时
45、，可以将物料迅速融化，乃至气化。作为窗口的材料一般选用Ge或Nacl单晶板。,采用O2、N2或含碳性气体作为蒸发气氛，可以制备出氧化物、氮化物或炭化物超微粉末。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,工艺优点： 容易制备粒度很细的超微粉末； 粉末的纯度很高，颗粒表面洁净； 蒸发源的能量密度比电弧加热法要高一个数量级，材料在极短时间内可以达到蒸发温度，而且蒸发位置和蒸发源的能量密度可以通过调整聚光系统来控制； 制备出来颗粒粒径极细，且分布范围较窄，借助于改变气氛压力可以自由控制粒径。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,激光加热蒸发法主要缺点： 能源转换效率较低，一般不超过20
46、%； 不适于制备很多表面反射性强，吸热效率低的金属超微粉末。由于激光输出功率的限制，这种方法最初只能用于研究室规模的实验，最近陆续出现了一些KW级输出功率的激光装置，为工业规模生产创造了条件。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,2. 等离子体蒸发法,等离子体是一种高能离子束，由中性粒子、离子、电子等组成，温度高达10000K以上，如将等离子体照射在物料上，或将颗粒状物料注入到等离子体内，物料就会迅速气化成蒸气，在等离子体边缘，蒸气迅速冷却时，达到过饱和状态，发生凝聚形核，就可以形成超微粉末。根据这一思想，可以将等离子体作为一种流动的反应器，用于制备超微粉末。,2.2.2粉末制备方法
47、,（3)气相法制备技术,(1)产生等离子体的方法 利用电极间的放电电弧产生等离子体将电流电压加在阴极和阳极组成的电弧等离子体发生器上，当气体(Ar、N2、O2和H2等)通过阴极和阴极间隙时，部分气体电离而形成的等离子体。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,利用高频磁场感应加热气体以将频率为几兆赫以上的高频交变电流通到套在石英管外的螺缍管圈上，使石英管内流过的气体感应加热，部分电离形成等离子体。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,混合等离子体法将上述两者结合在一起，既具有直流电弧等离子体稳定性的优点，又具有高频感应等离子体体积大的优点，把反应物和Ar气送至超高温(1000
48、0左右)的混合等离流中，使原料粉末熔化、蒸发、然后快速冷凝，形成超微粉末。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,(2)等离子体加热蒸发法基本原理 及工艺,原理：向惰性气体如氢、氦、氮放电产生的等离子体中输入固体粉末粒子，并便获得的超高温蒸气通过急冷装置在非平衡过程中凝聚，如把几种不同的固体粒子同时注人，则可制得合金或化合物超微粒子。,原料在等离子体中加入 位置示意图,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,基本工艺： 等离子体火焰加热蒸发法： 原理与激光加热法的类似。等离子体火焰以45度角倾斜照射在固体金属表面上，使其受热蒸发，产生蒸气。金属蒸气和高温等离子流混合在一起形成火焰
49、尾，反射到粉末收集器内。在冷却过程中，金属蒸气凝结成超微粉末，并沉积在水冷收集器上。 问题：采用等离子体火焰直接加热金属块进行蒸发时，高温等离子体火焰容易将熔体吹飞，不利于控制粉末的粒度。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,解决办法：将待蒸发原料以粉末颗粒的形式加入到高温等离子体中，使之完全蒸发形成高温蒸气。 关键问题：被注入到等离子体火焰中的颗粒状原料必须能完全被蒸发掉。金属颗粒的蒸发效率取决于其粒径大小和被注入时的初始速度、等离子体流动速度和热传导系数等。因此，为了提高等离子体的热传导系数，可以采用在等离子体中导入H2的方法，而且H2的加入还具有还原效果，有利于制备高纯的金属超微粉末。,2.2.2粉末制备方法,（3)气相法制备技术,反应等离子体蒸发法 采用含C、N、O等的气体做反应剂进行蒸发实验，可以制备出化合物超微粉末。 等离子体化学气相沉积法 利用高温等离子体将反应剂气化，并发生化学反应，生成超微粉末。,
