3D打印的材料和工艺发展

1、3D打印的材料和工艺发展 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

2、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

3、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、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 3

4、D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

5、 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，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

6、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

7、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

8、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，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、

9、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) 。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

10、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

11、，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

12、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：25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

13、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

14、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。 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，

15、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

16、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/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,

17、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、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

18、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

19、、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，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

20、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，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CobaltChromeSP2 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

21、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，尺寸精密，能制作的最小细节的尺寸为。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，

22、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：

23、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

24、2.1.5 复合材料尼龙玻纤(玻璃纤维和尼龙)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

25、需要使用不同的浸润方法，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

26、览与交流模型、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 材料的制备方法丝材挤出成形粉末制备方法 (1)机械

27、粉碎 (2)喷雾快速冷却 (3) 气相沉积片材模压成形挤出成形 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，尺寸较稳定挤出成形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

28、控制系统1. 主机、辅机速度匹配； 2. 控制温度和压力等挤出成形2.2 材料的制备方法挤出成形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卸料槽挤出成形2.2 材料的制备方法单丝挤出成型挤出成形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

29、用时亦很重要。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。粉末制备方法2.2 材

30、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。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。 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

31、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：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。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

32、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 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、喷嘴、粉末、真空泵收集器。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 快速凝固方法

33、制得粉末形状冷却速率水雾化法不规则高气雾化法表面光滑球体慢一个数量级1. 流体雾化法：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 ） 水雾化法50100气体雾化法3040超声气体雾化法1020粉末制备方法（

34、 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 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： 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。 粉末制备方法（2)快速冷凝雾化制粉技术2. 离心雾化法：

35、 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 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、熔体粉末制备方法（2)快速冷凝雾化制

36、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。 缺点：当合金的熔点较高时，石英管喷嘴容易损坏。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 Atomiza

37、tion) 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。 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

38、粒子形核、晶核长大、凝聚等一系列粒子生长基本过程。 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。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

39、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。 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。 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。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

40、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。 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

41、、BN等陶瓷。 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。 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

42、。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。 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，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。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

43、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，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。 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

44、由控制粒径。 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%；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。 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

45、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。 粉末制备方法（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。 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。 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

46、子体体积大的优点，把反应物和Ar气送至超高温(10000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。 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 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

47、混合在一起形成火焰尾，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。 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

48、微粉末。 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。粉末制备方法（3)气相法制备技术3. 阴极溅射法 原理：将两块板状金属平行放置在Ar(40250Pa)中，在两块金属板上加上几百伏的直流电压，使金属板间产生辉光放电。放电产生的离子撞击在阴极待蒸发靶材上(待蒸发材料为阴极，Al板为阳极)，将靶材上的金属原子激发出来，形成金属蒸气，凝聚后形成超微粉末。 特点：靶材表面不会融化；高融点金属也能蒸发；若将蒸发靶材做成几种元素的混合物，还可以

49、制备出复合超微粉末，且粉末的成分与靶材的一致。 粉末制备方法（3)气相法制备技术4. 流动油面上真空蒸发法金属在高真空环境中蒸发时，金属原子连续不断地在固体衬底上冷凝，形核，生长，最终形成金属薄膜。在蒸发的初期阶段，在衬底上形成的薄膜是不连续的，它是由粒度分布很窄的超微粒子组成的“岛状”结构。利用这一现象，将固体衬底改为流动的低蒸气压液体，当金属原子到达流动的液体表面上发生冷凝时，就可以形成超微粉末。这种在真空环境中采用蒸发冷凝的方法制备超微粉末的方法被称之为流动油面上真空蒸发法(Vacum Evaporation on Running oil Suhstracte)，简称VEROS法。 粉末

50、制备方法（3)气相法制备技术VROS法制备超微粉末的特点：粉末的平均粒径很小，可以达到3nm，比其它方法制得的粉末细得多；粉末的粒度分布范围很窄；蒸发速度比低压惰性气体加热蒸发法的大得多；超微粒子在油中的分散性好。不足之处：从液体中分离粉末的手续麻烦；粉末粒度太细，容易氧化。 粉末制备方法（3)气相法制备技术5. 通电加热法 通电加热法最初是为了制备SiC超微粉末而开发出来的，装置原理如图所示：在数Torr数十Torr的惰性气体中，将作为电极的炭捧和放在铜板电极上的固态Si接触，在将固态Si加热的同时，在炭捧与铜板之间外加交流电压，由于Si具有负的电阻温度系数，随着温度上升，Si的电阻减少，所

51、以两极之间电流增加炭捧变赤热状态，硅熔化后附着在炭捧表面，发生反应，生成SiC，并进一步蒸发、冷凝，形成SiC超微粉末。 粉末制备方法（3)气相法制备技术二、气相化学反应法制备技术 气相反应法是指金属蒸气或者气态化合物通过化学反应生成超微粉末的方法。化学气相反应大多采用高挥发性金属卤化物、碳基化合物、烃化物、有机金属化合物和氧氯化合物、金属醇盐作为原料，有时还涉及使用氧、氢、氨、氮、甲烷等一系列进行氧化还原反应的反应性气体，因此化学气相反应合成常被用来制备包括金属在内的各种超微粉体。该法所用设备简单，反应条件容易控制，产物纯度高且粒径分布窄，尤其适于规模生产。 粉末制备方法（3)气相法制备技术

52、1. 气相反应法分类 通过单一化合物的气相热分解反应来生成超微粉末。在该方法中，原料A必需含有生成超微粉末所需的全部元素，例如CH3SiCl3中含有生成SiC超微粉末所需的Si和C元素，通过分解反应，就可以生成SiC超微粉末。 A(g)B(s)+C(g) 利用两种以上的气态化学物质间的化学反应来生成超微粉末。在该方法中，原料的选择自由度很大，制备同一种超微粉末可以有很多种组合。 A(g)+B(g)C(s)+D(g) 粉末制备方法（3)气相法制备技术2.工艺特点要求原料的蒸气压高，分解温度低，容易制备，具有较高的反应活性等。一般可以采用金属的卤化物、烷氧基化合物M(OR)、烷基化合物M(R)n等

53、。采用气相化学反应法制备超微粉末时，生成的超微粉末性质除取决于反应物质的物理化学性质之外，还取决于反应器的构造、加热方式、反应气体导入反应器的方式等。诱导化学反应方法的有电阻炉加热法、化学火焰法、等离子体法、电弧法和激光法等。粉末制备方法（3)气相法制备技术3.电阻加热式的气相化学反应法 电阻加热式管式反应器是化工领域中最为典型、最为简单的一类反应器，也可以用于合 成超微粉末。这类反应器的结构，如管径、长度、温度场分布，及原料气的供给方式，载体气体，反应气体的流速等都直接影响到反应的转化率，原料的利用率，粉末的产率、粒度、纯度等。 粉末制备方法（3)气相法制备技术注意问题：由于反应器采用的是外

54、部加热，反应器壁温度很高，易和反应气体反应，所以反应器材质选定很重要。作为反应器的材料要求在需要的温度条件下能够不和气体原料发生化学反应，一般使用石英玻璃管、磁管、Al2O3管和石墨管。在使用还原气氛合成氮化物和碳化物超微粉末时，也可以在反应器的高温区插入Mo管，用来反应器。 考虑到反应管内流体的温度、速度分布特征以及传热学行为，选用细而长的管子有利。这样的反应器内的温度梯度小，反应高温段的温度分布均匀，有利于均相反应的进行；反应气体进入到反应管内时应尽量保持稳流状态，压力要稳定，这样，就可以控制超微粒子的形核与生长过程，达到控制超微粉末粒径的目的。 粉末制备方法（3)气相法制备技术4. 等离

55、子体合成技术 (1)反应等离子体法 由于等离子体的温度可以高达10000K以上，不仅可以将金属、合金乃至陶瓷汽化，还可以诱发各种化学反应。在蒸发金属或合金的过程中，采用含碳、含氮或含氧性气氛，还可以制备出金属碳化物、氮化物或氧化物超微粉末。粉末制备方法（3)气相法制备技术(2)等离子体化学气相沉积法方法有两种，如图所示，一种是在等离子体中导入反应性气体A，使之热理解成原子态，在等离子体火焰的尾部导入反应性气体B，两者发生化学反应，生成化合物C超微粉末，如图(a)所示；一种是在等离子体火焰尾部同时导入反应性气体，进行化学反应，生成C化合物的超微粉末，如图(b)所示。但后者的缺点是，热效率不高，且

56、容易在超微粉末中引入杂质，而前者更有效。 粉末制备方法（3)气相法制备技术5. 激光诱导化学反应法原理：利用反应性气体分子对特性波长的激光光子能量的吸收，活化，诱导气体分子的光解、热分解、激光光敏化和化合反应等，发生超微粒子的形核与生长，最终形成超微粉末。采用的激光一般是波长为m的CO2激光和波长为m的Nd:YAG激光。CO2激光有连续型和脉冲型两种。 粉末制备方法（3)气相法制备技术2.3 材料的性能材料的机械性能（力学性能）材料的工艺性能2 3D打印的材料及工艺 3D打印解决了材料成型的问题，过去复杂的形状结构可以用新的方法来成型。但是材料成型以后，还要解决工程应用所必需的材料性能的问题，

57、除了成型性以外的其他材料性能上的要求，比如防腐、强度硬度等等。使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能、化学性能和生物性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。2.3 材料的性能2 3D打印的材料及工艺材料的机械性能（力学性能）材料在载荷 (外力或能量) 以及环境因素作用下表现出 的变形和破断的特性。材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形塑性变形断裂。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 五万吨水压机低碳钢的应力-应

58、变曲线拉伸试样拉伸试验机应力 = P/F0 MN/m2 ( MPa ）应变 = (l-l0)/l0金属应力-应变 曲线（分为四阶段）： 弹性变形 屈服变形 均匀塑性变形阶段 局部集中塑性变形 - 颈缩 ABCDEpesbk高分子材料应力应变曲线类型：a、硬而脆的材料应力-应变曲线（脆性断裂）主要有：低分子量的PS、酚醛树脂、环氧树脂b、半脆性（延性）固体应力-应变曲线先屈服后断裂-韧性断裂如：硬PVC、PS、PMMAc、典型的应力-应变曲线（韧性材料）冷拉、成颈如PE、PP、PCd、橡胶的应力-应变曲线如硫化橡胶、软PVC温度对应力应变曲线的影响温度由低高曲线由a d如温度a、TTg, TTb

59、b、 TTgc、 TTg（几十度）d、 T接近于或大于Tg举例：PVC 结果0 脆断0-50 屈服后断裂50-70 韧断70 无屈服时间、温度对应力-应变曲线的影响是等效的，这就是时温等效原理拉伸速率对应力应变曲线的影响拉伸速率拉伸速率快（时间短）温度低一、弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料抵抗弹性变形能力。弹性模量E。 e 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 二、强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗塑性变

60、形和破断的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。是设计 和选材的主要依据之一。条件屈服强度：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。是零件设计的重要 依据,也是 评定金属材料质量的重要指标。 铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料 b =s 中、高碳钢等无明显屈服现象 0.2塑性：材料受力破断前可承受最大塑性变形的能力。指标为： 伸长率：断面收缩率：拉伸试样的颈缩现象三、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。 ak = Ak / F ( J/cm2 或 MJ/m2 ) Ak-冲击破坏所消耗的功变形功及断裂