选择性电化学沉积金属增材制造实验研究

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随着增材制造技术的普及与应用,金属的增材制造迅速发展成为增材制造领域最具发展前景的先进制造技术之一,在我国金属加工领域内的占比越来越大,展现出巨大的潜力。其中晶态金属的增材制造发展最为迅速,主要技术有选区激光烧结、选区激光熔化等,现有的金属增材制造技术加工金属零件过程中需要昂贵的激光器、惰性气体保护等,成本高,对操作环境要求较为严苛。电化学沉积法是一种典型的增材式加工方法,结合电化学沉积技术和增材制造技术便可实现金属的电化学增材制造。本文以聚乳酸(PLA)和碳纳米管(CNTs)的复合导电材料作为选择性电化学沉积基底,结合电化学沉积技术,实现了金属的三维成形。研究了CNTs含量对PLA-CNTs复合材料的力学性能、电阻率以及对电化学沉积影响。将双喷头3D打印机制备局部导电样件与电化学沉积技术结合,实现了金属、多元金属的成形。本论文的具体研究内容和结果如下:(1)制备了聚乳酸/碳纳米管复合材料,将不同配比的PLA和CNTs均匀混合后,熔融挤出以制备适用于3D打印的PLA-CNTs复合材料。研究了CNTs含量对复合材料拉伸强度、弯曲强度及电阻率的影响。实验结果表明:复合材料的拉伸、弯曲强度和电阻率随CNTs含量的增加而下降。通过对比实验,选择PLA-CNTs7%wt作为一种力学性能较好,电阻率低,易于加工的导电塑料,该导电塑料可用作电化学沉积的阴极基底材料。(2)选择采用双喷头3D打印机制备出由PLA和导电塑料(PLA-CNTs7%wt)组成的局部导电样件,合理分布导电区域(导电塑料)和绝缘区域(PLA)。将样件置于电解液中进行选择性电化学沉积并去除塑料基底,从而实现金属的三维成形。探究了沉积时间对样件表面形貌和样件质量的影响。采用阵列式制备金属样件的方法,提高了金属样件的加工速度,为实现金属零部件增材制造批量化生产提供有效的方法。探究了硫酸、聚乙二醇含量对样件表面形貌和样件质量的影响。制备了铜-镍双层金属样件和四层金属样件,实现多元金属的增材制造。样件中两种金属结合界面无气孔、裂纹、分层等缺陷,样件成形质量较好。根据两种金属的热膨胀系数的不同,对双金属样件的4D打印效应做了初步探究。(3)采用选择性电化学沉积法,制备出由塑料基底和导电金属组成的电子元件,结果表明:该方法制备的电子元件导电性极好。研究了两种打印方向对样件导电区域宽度的影响,发现导电区域的最小有效设计宽度为0.2mm,实际宽度约为132.4μm,沉积的铜线宽度约为183.2μm,实现了微米级电子电路的制备。制备了一个空心螺线圈来演示如何创建一个功能强大的3D电气设备,测试了螺线圈的电感、阻抗和电磁性能。使用多种金属在同一部件的不同部分进行电化学沉积,例如,允许活泼金属锌和不活泼金属铜被合并到同一部件中,制备出铜-锌电池。
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