本發(fā)明涉及增材制造，具體而言涉及一種石墨烯增強銅基連續(xù)碳纖維復合材料構件的增材制造方法。

背景技術：

1、銅作為一種優(yōu)良的導電導熱材料被廣泛應用至電力、電子電器、新能源、通信、航空航天和機械制造等行業(yè)，隨著科技的發(fā)展，這些行業(yè)中對部件的導電性要求越來越高，例如，航空航天飛行器中的許多電氣系統(tǒng)和設備，如航空發(fā)動機的點火系統(tǒng)、電力傳輸線路、通信和導航系統(tǒng)等，都需要使用具有高導電性的材料來確保電流的高效傳輸，減少電能在傳輸過程中的損耗，以保證各種儀器設備的正常運行，同時，還需要這些材料具有更好的力學性能，以提高服役壽命。因此，單純的銅材料在導電和力學性能上都無法滿足新的需求。

2、碳纖維是一種高性能的纖維材料，具有高強度、高模量、良好的耐疲勞性等優(yōu)點。將纖維作為增強相與基體銅金屬復合可以提高金屬材料的強度，但是，其導電性能并沒有明顯的提高，并且存在連續(xù)纖維與基體界面難以潤濕導致結合強度差的問題，從而在一定程度上削弱了強度的提高效果。

3、石墨烯作為單層共價鍵合的sp2雜化碳原子，排列在二維六邊形晶格中，由于其特殊的導電導熱性、優(yōu)秀的力學性能、較高的楊氏模量受到廣泛關注。采用石墨烯作為第二相制備石墨烯/銅復合材料可以提高銅基材料的強度和硬度，并且可以顯著提高復合材料的導電導熱性能。但是石墨烯/銅復合材料的力學性能及導電性仍然不能滿足更高的需求。

技術實現思路

1、本發(fā)明目的在于針對現有銅基復合材料導電性和力學性能不能滿足需求的問題，提供一種石墨烯增強銅基連續(xù)碳纖維復合材料構件的增材制造方法，將石墨烯生長在銅粉表面后通過繼續(xù)與石墨烯輔以黏結劑混合的方法獲得打印基體的原料，采用熔融定向沉積工藝分別打印基體材料和碳纖維層，燒結后形成不同的電子通路構成的三維彌散導電連續(xù)網絡，并結合碳纖維形成的網絡結構，提高構件的導電性，并提高了材料的力學性能。

2、根據本發(fā)明的目的，提供一種石墨烯增強銅基連續(xù)碳纖維復合材料構件的增材制造方法，包括以下步驟：

3、s1、采用化學氣相沉積法在銅粉表面原位生長石墨烯薄膜，形成石墨烯薄膜包覆的銅粉，并將石墨烯薄膜包覆的銅粉與石墨烯粉體、黏結劑在真空條件下混煉，均勻分散石墨烯粉體，并使石墨烯薄膜包覆的銅粉和石墨烯粉體聯(lián)結，得到混合粉末；

4、s2、以步驟s1得到的混合粉末作為原料，通過熔融定向沉積工藝逐層打印基體，并在相鄰層的基體沉積層之間，以碳纖維為原料通過熔融定向沉積工藝打印碳纖維層，形成基體沉積層/碳纖維層錯層分布結構，并且任意兩層相鄰的碳纖維層之間的打印方向形成交錯分布，以此方式逐層打印直至完成打印流程，獲得碳纖維形成交錯網絡結構的成型坯體；

5、s3、將步驟s2得到的成型坯體進行燒結，使得與碳纖維接觸的部分石墨烯與碳纖維結合形成銅-石墨烯-碳纖維電子通路，并且由石墨烯薄膜與石墨烯粉體連接重組形成銅-石墨烯-石墨烯-銅電子通路，構成三維彌散導電連續(xù)網絡，得到所需構件；

6、由此，通過所形成的三維彌散導電連續(xù)網絡，結合碳纖維形成的交錯網絡結構，提高構件的導電性。

7、作為可選的實施方式，所述步驟s1中，采用化學氣相沉積法在銅粉表面原位生長石墨烯薄膜，形成石墨烯薄膜包覆的銅粉，包括：

8、將蔗糖溶于乙醇和水的混合溶液中攪拌均勻，得到第一溶液；

9、在攪拌的條件下在第一溶液中加入銅粉，超聲處理使銅粉分散均勻，得到第二溶液；

10、將第二溶液加熱至液體完全汽化，得到蔗糖-銅前驅體粉末；

11、將所述蔗糖-銅前驅體粉末置于cvd石英管中，并將cvd石英管置于氬氣和氫氣的混合氣氛中加入退火，退火完成后置于空氣中快速冷卻至室溫，研磨得到石墨烯薄膜包覆的銅粉。

12、作為可選的實施方式，所述蔗糖、乙醇和水的質量比為(0.06～0.08):(7.5～10):(15～20)；

13、所述銅粉與第一溶液的質量比為(6～8):(2.2～3)。

14、作為可選的實施方式，所述步驟s2中，以所述混合粉末為原料，根據所需打印構件的切片以熔融定向沉積工藝分層打印基體，其中在逐層打印第一層至第n-1層的基體沉積層的過程中，每打印完成一層基體沉積層后，在當前基體沉積層上采用熔融定向沉積工藝打印碳纖維層，最后再打印第n層基體沉積層，獲得成型坯體；

15、其中，任意兩層相鄰的碳纖維層采用相互交錯的路徑進行打印，使成型坯體中的碳纖維形成交錯網絡結構。

16、作為可選的實施方式，所述石墨烯粉體的含量為石墨烯薄膜包覆的銅粉質量的0.1wt％～1wt％。

17、作為可選的實施方式，所述黏結劑的含量為石墨烯薄膜包覆的銅粉質量的0.5wt％～1.2wt％。

18、作為可選的實施方式，所述黏結劑為70wt％的石蠟、25wt％的低密度聚乙烯和5wt％的硬脂酸的混合物。

19、作為可選的實施方式，前述任意相鄰碳纖維層之間打印方向形成交錯分布，包括：

20、在任意兩層相鄰的碳纖維層之間，其中一層采用45°方向的蛇形往復打印路徑，另一層采用-45°方向的蛇形往復打印路徑，使碳纖維形成交錯網格。

21、作為可選的實施方式，每打印完成一層基體沉積層后，在當前基體沉積層上所打印碳纖維層中，當前基體沉積層的打印路徑與碳纖維層的的打印路徑相同。

22、作為可選的實施方式，所述成型坯體進行燒結的條件為：溫度以10℃/min～20℃/min的速度逐步升高到700℃～900℃后，保溫2h～4h。

23、作為可選的實施方式，熔融定向沉積工藝逐層打印基體的條件為：

24、噴嘴溫度為170℃～200℃，熱床溫度為60℃～80℃，進料速度為40mm/s～60mm/s，打印速度為30mm/s～50mm/s，每層層高為0.2mm～0.3mm，噴嘴直徑0.4mm～1mm，填充密度固定為100％。

25、作為可選的實施方式，熔融定向沉積工藝打印碳纖維層的條件為：

26、噴嘴溫度為90℃，熱床溫度為60℃～80℃，進料速度為40mm/s～60mm/s，打印速度為30mm/s～50mm/s，噴嘴直徑0.3mm～0.5mm。

27、由以上本發(fā)明的技術方案可見，本發(fā)明提出的石墨烯增強銅基連續(xù)碳纖維復合材料構件的增材制造方法，利用復合粉末輔以連續(xù)碳纖維，通過路徑規(guī)劃進行網絡編織，其中通過黏結劑提供足夠的結構支撐，保證了后續(xù)打印過程中層與層之間的結合強度；并且通過黏結劑使石墨烯薄膜包覆的銅粉、石墨烯粉末與碳纖維牢固地結合在一起，在黏結劑的作用下，粉末能夠足夠多地覆蓋在碳纖維表面，隨著打印過程的層層沉積，逐漸形成銅-石墨烯-碳纖維的三維網絡結構；

28、在燒結過程中，黏結劑被脫去，打印件收縮，此時石墨烯薄膜包覆的銅和游離的石墨烯連接重組，形成了銅-石墨烯-石墨烯-銅的電子通路，從而提高了材料的導電性；同時與碳纖維接觸的石墨烯會有一部分流動鑲嵌到碳纖維內部基團上，使兩者緊密結合，不僅提高了材料的結構強度與穩(wěn)定性，還形成了銅-石墨烯-碳纖維電子通路，進一步增加了材料的導電性；復合粉末中均勻分散的游離石墨烯在燒結過程中，可以填充空隙，增加了材料的導電密度，并且它還能與銅表面包覆的石墨烯和碳纖維結合，充當橋梁的作用，通過這種方式，進一步增加了電子通路，最終形成三維彌散導電連續(xù)網絡，顯著提升打印構件的導電性。

29、在此基礎上，相鄰碳纖維層采用相互交錯的路徑進行打印，使成型坯體中的連續(xù)碳纖維形成網絡結構，增加了導電通路的維度、增強了碳纖維與其他導電成分的接觸概率，以及優(yōu)化了電場分布和電子傳輸效率，從而提高了構件的導電性。