1 三峡大学石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002
传统成型工艺制备的导电复合材料内部导电通路分布不可控，且难以实现复合材料的电学与力学性能的匹配。利用选择性激光烧结技术快速制备了类金刚石结构石墨骨架素坯，并经过二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂溶液以及高温碳化等后处理工艺改善石墨骨架电学以及力学性能，并将环氧树脂与之“复合”，制备了石墨/环氧树脂复合导电材料。通过正交试验，研究了石墨骨架结构特征参数对导电复合材料的电导率和抗弯强度的影响。研究结果表明：键半径R为决定复合材料电导率的主要因素，但对于其抗弯强度为较次要因素；键长L对复合材料的电导率和抗弯强度皆为较主要因素；当键长为6 mm、键半径为1.4 mm、键角为120°时，可获得力学性能和导电性能相协同的新型导电复合材料。
选择性激光烧结 导电复合材料 正交试验 电导率 抗弯强度 selective laser sintering conductive composity orthogonal test electrical conductivity bending strength
南京邮电大学 电子与光学工程学院，柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
荧光玻璃陶瓷结合了荧光粉优异的发光性能和玻璃基质良好的热导率及热稳定性的特点，已在高功率白光LED乃至激光照明领域引起了广泛的关注。本文采用一种选择性激光（CO2激光器）烧结技术，制备了YAG∶Ce荧光玻璃陶瓷，并研究了其荧光发光性能以及构筑的白光LED的器件性能。与传统的重熔融或固相烧结方法不同，选择性激光烧结技术仅对局部加热且升/降温速率大，因此该方法具有节能和快速的特点。研究表明，选用适当的激光功率（24 W）、扫描速度（135 mm/s）和扫描间隔（9 μm）等参数，可制备出形貌较好的YAG∶Ce荧光玻璃陶瓷；经过630 ℃热处理1 h消除应力后，其呈现出Ce3+离子典型的4f→5d能级跃迁对应的宽带激发光谱（峰值为340 nm和455 nm）以及5d→4f能级跃迁对应的宽带发射光谱（峰值为570 nm），量子效率达82%；与450 nm蓝光LED芯片（3.11 V，0.30 A）组合后，可实现92 lm的白光输出，流明效率为98 lm/W，显色指数为69，色温为5 001 K，色坐标为（0.34，0.35）。以上结果表明，该方法在制备荧光玻璃陶瓷中具有重要的应用潜力。
荧光玻璃陶瓷 Ce3+掺杂 选择性激光烧结 白光发光二极管 glass ceramic phosphor Ce3+ doped selective laser sintering white light-emitting diodes
三峡大学机械与动力学院, 石墨增材制造宜昌市重点实验室, 湖北 宜昌 443002
利用选择性激光烧结技术制备的3D石墨/陶瓷复合材料疏松多孔, 力学性能和导热系数均较不佳, 研究了不同的混合粉末组成和不同的后处理工艺方案对石墨/陶瓷复合材料导热性能和抗压强度的影响。研究结果表明, 通过添加高纯硅粉高温原位烧结反应生成碳化硅增强相使得复合材料抗压强度和导热性能有所增加；加入可膨胀石墨粉末因增加了闭气孔率, 导致其抗压强度和导热性能有所降低, 但后者下降幅度更为明显；通过真空压力浸渍酚醛树脂溶液和硅溶胶溶液, 3D石墨/陶瓷复合件的抗压强度和导热系数均有较大幅度的提升；最终制备了抗压强度为13.04 MPa, 导热系数为1.94 W/(m·K)的3D石墨/陶瓷复合铸型, 成功地用于铸钢件多次重复浇铸, 通过对铸件缺陷和使用成本进行分析, 所制备出的石墨/陶瓷复合件有望替代传统的水玻璃砂型。
石墨/陶瓷复合材料 选择性激光烧结成型 后处理工艺 混合粉末 性能调控 graphite/ceramic composites selective laser sintering molding post-treatment process mixed powder property control
1 南方电网科学研究院有限责任公司 特高压工程技术（昆明、广州）国家工程实验室，广东 广州 510663
2 强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），湖北 武汉 430074
选择性激光烧结技术（SLS）发展迅速，技术成熟度高，可以打印任意复杂形状的结构，而传统注塑工艺很难制备某些具有复杂结构的绝缘件，因此SLS技术在制作复杂的绝缘结构方面具有显著优势。然而不同的烧结工艺参数对烧结件的性能具有较大影响。研究了不同激光功率下尼龙12烧结件密度和绝缘性能的变化规律及成因。选取不同的激光功率进行测试，以烧结件的密度、击穿场强、电导率和相对介电常数为指标，综合选取最优的激光功率。分析了尼龙12在烧结过程中的热氧化降解机理，烧结件的热氧化降解是导致烧结件性能劣化的主要原因。结果表明：在激光功率变化范围内，烧结件的密度和绝缘性能呈先提升后稳定再劣化的规律；最优的激光功率为9 W，对应的扫描速度为3000 mm/s，扫描间距为0.1 mm，此时尼龙12烧结件的密度为1.0106 g/cm3，直流击穿场强为81.57 kV/mm，电导率为4×10−13 S/cm。
选择性激光烧结 激光功率 热氧化降解 绝缘性能 密度 SLS laser power thermal oxidative degradation insulation properties density 红外与激光工程
2021, 50(S2): 20200474
三峡大学机械与动力学院，水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002
研究不同的酚醛树脂加入量、不同粒径的石墨粉末以及包覆预处理次数对石墨成形件的抗弯强度和成形精度影响，分析其变化规律，揭示石墨增材制造成形机理。研究发现：石墨成形件的抗弯强度、成形误差随着酚醛树脂粉末加入量的增加而增大；与-325目、-200目和-150目相比，用-100目天然鳞片石墨粉末与酚醛树脂粉末按6∶4的质量比制备的混合粉末，其成形件的抗弯强度最佳，达到1.93 MPa；对石墨粉末进行包覆预处理，既有助于提高石墨成形件的力学性能，又可以降低粉末的导热系数，从而提高成形件的成形精度，当包覆次数为2时，其抗弯强度达到2.976 MPa，X、Y和Z方向的尺寸相对误差分别为8.42%、8.45%和13.05%。此外，快速制造出类金刚石结构的多孔石墨骨架，实现了强度与精度的协同。
激光光学 选择性激光烧结 石墨成形件 成形精度 抗弯强度 成形机理 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0914005
三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室, 湖北 宜昌 443002
选择性激光烧结技术制备的石墨预制体致密度不高, 且内部疏松多孔导热系数也相对较低。本文通过改变选择性激光烧结工艺参数制备了相对密度在18.78%~24.95%的多孔石墨预制体, 并利用瞬态平板热源法测定其在室温下的有效导热系数, 研究了激光能量密度对选择性激光烧结石墨预制体导热性能的影响。结果显示在0.05~0.15 J/mm2之间激光能量密度与导热性能呈正相关的关系, 而在能量密度小于0.136 7 J/mm2时预制体的相对密度随着能量密度的增大而增大, 当能量密度大于0.136 7 J/mm2时预制体相对密度基本不变。通过引入能量密度与导热系数的相关系数, 建立了激光能量密度与多孔石墨预制体导热系数相关的导热理论模型, 并通过实验验证导热模型有效性。结果显示所建导热模型的预测值与多孔SLS石墨预制体实际测量值偏差小于1.5%。
选择性激光烧结 鳞片石墨 多孔材料 有效导热系数 工艺参数 selective laser sintering graphite flake porous materials effective thermal conductivity processing parameters
1 重庆大学材料科学与工程学院, 重庆 400044
2 重庆理工大学机械工程学院, 重庆 400054
以聚十二内酰胺(PA12)和羟基磷灰石(HA)为实验材料,采用选择性激光烧结(SLS)技术成形具有优良力学性能的PA12/HA复合材料多孔支架。首先,利用响应面法得到最佳的工艺参数组合,并运用该参数组合成形PA12/HA复合材料多孔支架;然后,在L9(3 4)正交实验的基础上,研究了孔型、孔隙率和HA比例三因素对多孔支架力学性能的影响。结果表明:SLS最优工艺参数组合为激光功率27.5 W、扫描间距0.12 mm、扫描速率1500 mm/s;不同因素对PA12/HA多孔支架压缩强度的影响程度由大到小依次为孔隙率、孔型和HA比例;当孔隙率为60%、孔型为圆形、HA比例为15%时,压缩强度最大,为8.04 MPa;当孔隙率为80%、孔型为方形、HA比例为15%时,压缩强度最小,仅为0.26 MPa。
激光技术 选择性激光烧结 工艺参数 多孔支架 压缩强度 中国激光
2019, 46(11): 1102003
1 北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心, 北京 100124
2 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
针对目前制作特发性脊柱侧凸支架存在加工周期长, 在患者身上涂泥取模, 加工流程冗长等问题, 一些措施应该被采取来解决这些问题。将选择性烧结3D打印技术运用到特发性脊柱侧凸支架的整体制造中, 经过试验测试, 选择性烧结技术可以极大地缩短支架加工时间, 减少加工步骤, 并且对支架形态进行测试方面有着一定的优势, 提高特发性脊柱侧凸支架制造的效率。主要借助手持式扫描仪对患者进行身体扫描, 并根据扫描结果建立分块式脊柱侧凸矫正支架。结合Geomagic和Rhino软件, 通过ANSYS Workbench进行仿真及拓扑优化设计, 基于模型的拓扑优化结果, 对remove部分进行蜂窝形孔洞填充, 减轻重量。并对模型进行工程受力验证, 对比优化前后支架承受载荷能力。测试结果表明, 创新地提出的分块式脊柱侧凸支架在设定一定约束的条件下和保证支架矫正功能的情况下, 拓扑优化结构可以达到轻量化的功能, 减重达到8.36%, 拓扑优化后前胸板承受载荷能力为原始结构的97.61%, 后背板为96.62%。
选择性激光烧结 脊柱侧凸 医疗护具 拓扑优化 数值模拟 selective laser sintering scoliosis medical care topology optimization numerical simulation
三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室, 湖北 宜昌 443002
为改善结合界面的状况,缩短工艺流程,降低铜的消耗,减少生产投入,采用选择性激光烧结成型技术快速制备多孔石墨成型件。在此基础上,研究了不同石墨预制体状态、电镀工艺参数和电镀时间对镀层的沉积速率、表观形貌以及镀层与基体结合状况的影响。结果表明:未经真空压力浸渍酚醛树脂的石墨预制体,其镀层与基体的结合力不符合应用要求,在真空压力下浸渍酚醛树脂2~3次后,镀层沉积速率较佳,镀层与基体的结合力符合应用要求;电镀时间为30~50 min时,沉积速率较佳,可得到表面覆盖完整、连续且有光泽的镀层;电流密度为5×10
2~6.25×10
2 A·m
-2时,镀层晶粒均匀致密,可得到较佳的镀层。
激光加工 选择性激光烧结成型 石墨预制体 电镀铜 导电性 工艺参数 激光与光电子学进展
2019, 56(2): 021401
三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室, 湖北 宜昌 443002
利用凝胶注模成型工艺将采用选择性激光烧结技术制备的多孔石墨预制体与含莫来石的陶瓷浆料进行复合,经冻干和烧结后得到了石墨/莫来石复合材料;测试分析了各试样的性能,确定了莫来石陶瓷相的合理烧结工艺。结果表明,多孔石墨预制体的开气孔率为60%,密度为0.518 g·cm
-3,导热系数约为1.01 W·m
-1·K
-1,抗弯强度为1.7 MPa。烧结后莫来石的最大相对密度为80.4%,抗压强度为28.3 MPa,抗弯强度为27.5 MPa,导热系数为2.35 W·m
-1·K
-1。多孔石墨预制体的后处理可避免复合区域出现裂纹及两相结合不佳的现象,大幅增强了复合材料的整体性与界面结合性。
激光技术 选择性激光烧结 凝胶注模成型 复合材料 导热系数 力学强度 激光与光电子学进展
2019, 56(9): 091404
