内嵌有蜂窝状石墨骨架的导电聚合物制备及电学性能研究-本科毕业设计.docx

《内嵌有蜂窝状石墨骨架的导电聚合物制备及电学性能研究-本科毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《内嵌有蜂窝状石墨骨架的导电聚合物制备及电学性能研究-本科毕业设计.docx（43页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 4 页 共 43 页 毕业设计（论文）题目内嵌有蜂窝状石墨骨架的导电聚合物制备及电学性能研究学生姓名 学号 专业 机械设计制造及其自化 班级 指导教师 评阅教师完成日期 年 月 日学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

2、本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”） 作者签名 年 月 日 导师签名： 年 月 日 目录摘要1前言51.绪论71.1高分子导电复合材料的简介71.2高分子导电聚合物的导电机理71.3填充型导电聚合物的制备方法91.3.1共混法91.3.2原位聚合法91.3.3电化学聚合法91.3.4化学聚合法91.3.5微乳液法101.4 SLS的简介及其优点101.4.1 激光粉末烧结技术（SLS）简介101

3、.4.2 SLS加工原理111.4.3激光烧结技术具有的特点及优势112、实验设备及实验材料122.1实验设备122.1.1激光粉末烧结加工设备122.1.2恒温干燥风箱132.1.3超声波清洗机132.1.4 TH2512型智能直流低电阻测试仪142.2实验材料142.2.1 2130酚醛树脂152.2.2 2123酚醛树脂162.2.3无水乙醇172.2.4 NL固化剂182.2.5 FWT30型号的哑光分离膜192.2.6 石墨纸203.1.2石墨蜂窝骨架单位体结构及尺寸的确定213.1.3石墨骨架的三维建模213.1.4石墨骨架的选择性烧结成型233.1.5 选择性激光烧结得到的石墨骨

4、架243.1.6打印骨架注意问题243.2石墨骨架的后处理243.2.1石墨骨架的清灰243.2.2石墨骨架的超声波水254、石墨骨架与酚醛树脂复合的工艺264.1模具的设计加工及如何分模264.1.1树脂浇注模具的设计264.1.2树脂浇注模具加工264.1.3树脂浇注模具的分模问题274.2石墨骨架与2130酚醛树脂的复合工艺284.2.1不添加无水乙醇的复合工艺284.2.2添加无水乙醇的复合工艺294.3不同的温度对石墨骨架与2123酚醛树脂复合的工艺的影响304.3.1在温度为90时的成型工艺304.2.2在温度为110时的成型工艺314.2.3在温度为130时的成型工艺324.2.

5、4在90温度下预处理后升温至110的成型工艺335、电学性能345.1实验原理345.1.1电导率355.1.2电阻测试355.1.3实验数据的处理365.1.4结论39致谢40参考文献41第 39 页 共 43 页内嵌有蜂窝状石墨骨架的导电聚合物制备及电学性能研究学 生： 指导老师： 摘要:填充型导电聚合物是一种用聚合物和导电填料采用某种方式混合在一块的高分子聚合物，既有良好的导电性，也拥有抗腐蚀、耐高温和柔性好等诸多优点。目前对于填充型导电聚合物的研究主要集中于降低导电填料含量的同时并提高材料的导电性能。本文阐述了以内嵌有蜂窝状石墨骨架的导电聚合物的制备为研究中心，围绕石墨骨架与树脂基体之

6、间聚合的制备工艺，从不一样的工艺和制备方法制备出的成品进行实验对比研究并进行电导率的测试。综上来得出不同结构石墨树脂导电聚合物的电导率，并进行制备工艺的最佳优选。关键词：石墨骨架；树脂基体；机械混合；制备工艺；电学性能。Abstract：Filled with a conductive polymer is a polymer and a conductive filler mixed in some way block polymers, both good conductivity, but also has anti-corrosion, high temperature and goo

7、d flexibility and many other advantages. For the present, filled conductive polymer research has focused on reducing the conductive filler content at the same time and improve the conductivity of the material. This paper describes the embedded graphite honeycomb matrix of conductive polymer prepared

8、 in the research center, around the preparation of polymeric backbone between graphite and resin matrix, never the same process and preparation process for the preparation of the finished experimental and comparative study conductivity testing. Fully draw up a different structure of graphite conduct

9、ive polymer resin conductivity, and most preferred preparation process.Keywords: Graphite Skeleton；Resin matrix；Mechanical mixing；Manufacturing process前言随着时代的不断发展，人们对新材料的依赖程度越来越高，因此材料科学的发展也是极为迅速的，所以各种各样的性能优异的新材料不断地涌现出来，同时被广泛地应用到各个领域当中。说到新材料，它的定义是那些全新出现的或者已经开始大力发展中的、拥有普通材料不具有的独特的优化性能和特殊用途的材料。新材料和传统材料

10、它们之间其实并没有太多截然不同的分界线，新材料其实源于传统材料，是在传统材料的基础上发展而成的，普通的传统材料通过一些手段如结构、组成、设计包括在工艺上的进步使得可以优化材料的自身性能抑或是出现全新不同的性能，这样均可以发展成新型材料。新材料是二十一世纪科技高速发展时代的先锋和很多行业的基础，应用的领域非常广泛，无论在军事、数码、机械设计和制造以及生活当中都充当了不可或缺的角色。在我们普遍的生活当中，大家经常看到的高分子聚合材料几乎都是绝缘体，但是其拥有非常好的机械性能，被人们视作很好的功能性结构材料并把它很好的广泛应用。关于电性能，人们一直只利用高分子材料的介电性，也就是将其作为绝缘材料。说

11、到功能性结构材料，其实细分还可以分为以下几种：第一、具备化学活性的功能高分子材料。第二、具备光学性能的功能高分子材料。第三、具备导磁性能的功能高分子材料。第四、具备声音学性能的功能高分子材料。第五、具备热响应性能的功能高分子材料。第六、具备医疗作用的功能高分子材料。这是几种人类广泛应用到的功能性高分子材料的用途。高分子材料过去的发展，一直是重视其力学性能和化学性能，人类所用到其电学性能确实不多，传统的高分子材料大部分作为电绝缘的材料来使用，因为高分子材料拥有极好的绝缘性。如果能赋予其导电性，那么它的应用范围会再一次拓宽。导电聚合物从结构上来分类可以大致分为两大类。第一类是结构型导电高分子材料，

12、它是聚合物自身不需要加入导电的物质，而是利用其自身结构或者经过掺杂后获得导电性的高分子聚合物，它是一种全新聚合物，如聚乙炔等；第二类是复合型导电高分子材料，它是在高分子的基体中添加导电物质，通过机械混合或者微观混合等方法处理之后，获得的具备导电功能的多相复合体系。因为加入了导电物质作为导电填料，所以它又被称为填充型导电高分子。因为它不但有导电功能，同时保持了很多高分子材料的优异特性，并且价格相对便宜，所以被广泛的使用。复合型导电高分子材料按照填充材料也可以分为两大系。第一是金属系填充导电聚合物，其可以填充的金属导电填料的形式有金属纤维、金属粉末或者是镀金属粉末复合填料。第二是碳系填充型导电聚合

13、物，填充的填料可以是炭黑或者是石墨。比起金属系填充导电聚合物，炭黑价格更为低廉，而且可以根据生产需要来大幅度的变化复合物的电阻率，并且炭黑系导电聚合物的导电性更为稳定更为持久所以应用更为广泛一些。高分子材料代替金属材料是今后材料学科领域的发展趋势。由此带来导电性聚合物的市场需求日益增长，其应用领域逐步扩大，这就必然对导电性聚合物提出更高的要求。对于结构型导电性聚合物来说，要想进一步实用化，必须解决目前存在的下述主要问题：(1)稳定性欠缺：导电性高分子中的氧原子对水是极不稳定的，这是防碍其实用化的最大问题； (2)掺杂剂多是有毒的：如AsF5、I2、Br2等； 3)成型困难：导电聚合物主链中的共

14、轭结构使分子链僵硬，不溶不融，从而给自由地成形加工带来困难。(4)经济性差：其价格比金属及普通塑料高，难以实用化。1.绪论1.1高分子导电复合材料的简介高分子基导电复合材料是一种将导电填料以一定的方式和加工工艺填充到聚合物基体中而制成的一种功能复合材料1,有时候还要加入添加剂和其他溶剂。其常用的导电填充物主要有碳系、金属和金属氧化物三大类,其中碳系导电填料由于原料易得、质轻、不易氧化、易形成导电网络而最为常用。主要的碳系导电填料有炭黑(CB)、石墨(G)、碳纤维(CF)和碳纳米管(CNT)。其常用的基体材料有：酚醛树脂（PF）、聚苯乙烯(Ps)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲醋

15、(PMMA)、环氧树脂(epoxy)2等等。同时以两种或两种以上聚合物的共混物作为墓体也已经成为研究热门。导电聚合物的突出优点是既具有金属和无机半导体的电学和光学特性,又具有有机聚合物柔韧的机械性能和可加工性,还具有电化学氧化还原活性。这些特点决定了导电聚合物材料将在未来的有机光电子器件和电化学器件的开发和发展中发挥重要作用。目前高分子导电聚合物主要应用领域有：1，抗静电和导电领域；2.自控温加热领域；3.电路保护装置；4，电磁波屏蔽材料；5，传感器等1.2高分子导电聚合物的导电机理 填充型导电聚合物材料的导电机理非常复杂，国内外的专家学者们提出了一系列的理论和模型来解释其导电通路的形成与如何

16、导电，但总的看来，这些理论和模型都不够成熟与完备，难以普遍、完整地解释导电聚合物材料的导电现象。其中导电聚合物基体二元复合导电材料是出现最早的，也是导电结构最为简单的一类高分子基导电复合材料，由于简单的导电网络结构，二元导电复合材料被大量的学者选作为研究高分子导电复合材料电行为的实验体系，并作了大量的研究：1.Kirkpatrick3等学者用统计理论研究了二元复合材料导电网络的形成；2.Sumita4，5和Wessling6等人则利用热力学理论来研究二元复合材料导电网络的形成；3.Yoshida7等人将复合体系的结构用两种具有特殊作用的圆形基元取代，利用计算机模拟和分析得到了导电网络模型结构；

17、4.Maxwell无限稀释模型以及Bruggen等人的有效介质理论都有效的介释了二元导电结构；5.Mclachlan8,10在1987年推导出了有效介质普适方程。而在复合导电填料填充聚合物体系的导电网络研究方面，沈烈11和Di12等人研究了以炭黑、碳纤维为复合导电填料填充聚乙烯对材料的PTC效应、NTC效应的影响，并对导电的机理做了初步的讨论。欧姆导电13、隧道导电14和场发射导电15，16是三种较为普遍的理论。欧姆导电认为一部分导电颗粒完全连续接触，形成欧姆导电通路,相当于电流通过一只电阻；隧道效应理论则是应用量子力学的观点来研究材料的电阻率与导电粒子间隙的关系，当导电粒子接近到一定的距离时

18、，电子可以在电场的作用下实现定向迁移。认为导电依然有导电网络形成的问题,但不是靠导电粒子直接接触来导电，而是电子在粒子间的跃迁造成的，相当于一个电阻和一个电容并联后再与另一个电阻串联的导电效果；场发射导电是指当导电粒子的内部电场很强时，然后两个电子之间存在电位差，因此电子将有很大的几率跃迁过聚合物层所形成的势垒到达相邻的导电粒子上,产生场致发射电流而导电；但是一般来说，导电聚合物的导电性是由这三种导电机制相互竞争的结果。当导电填料含量高时，导电粒子大部分相互接触，形成了比较完善的导电网络，欧姆导电起主要作用；当导电填料含量和外加电压都低时，导电粒子间距离较大，形成链状导电通道的几率较小，隧道效

19、应机理占主导作用；当导电填料含量低而外加电压高时，场致发射机理的作用变得显著。 还有一种是“渗滤理论”，也就是导电通路学说。渗滤理论认为，随着导电填料含量的增加，材料的电导率开始时仅略有上升，当导电填料的含量增加到了某个临界值时，材料内部开始形成导电网络，材料的电导率也急剧上升。这种现象称为渗滤效应，导电填料含量的这一临界值被称为“渗滤阈值”17。经典的渗滤理论主要用于解释电导率与填料浓度的关系，渗滤导电理论来源于高分子复合导电材料中普遍存在的渗滤效应。但是渗滤理论只能够从宏观的角度上来解释复合材料体系的导电现象，其主要解释的是体系电阻率的变化与导电填料浓含量的关系，并不涉及导电本质18。1.

20、3填充型导电聚合物的制备方法1.3.1共混法共混法包括机械共混法、熔融共混法和溶液共混法等。共混法操作简单，但是纳米粒子易团聚，半导体纳米粒子和导电聚合物在体系中难以分散均匀，复合物结构具有不确定性，因此这种方法通常需要在共混前对纳米粒子的表面进行处理，例如，添加分散剂降低纳米粒子的表面能，以改善纳米粒子的分散状况；或添加偶联剂，可以使纳米粒子和基体之间有强相互作用，这一相互作用可以是共价键结合，可以是吸附在粒子上的偶联剂使基体聚合物的链段形成环状，将纳米粒子捕捉在其中，也可以是聚合物的链段和表面改性剂的交联网络互相贯穿。1.3.2原位聚合法原位聚合法是应用原位填充，使纳米粒子在单体中均匀的分

21、散，然后进行聚合反应,既实现了填充粒子的均匀分散，又保证了粒子的纳米特性。此外，在原位填充过程中，导电聚合物的单体只经一次聚合成型，不需热加工，避免了由此产生的降解，从而可以保证基体各种性能的稳定。1.3.3电化学聚合法电化学聚合法是在适当的溶剂中加入导电聚合物单体和电解质，在电场的作用下，在电解槽内发生电解反应在电极上沉积生成导电聚合物薄膜。电化学聚合法采用外加电场作为单体聚合的引发驱动力，在电极表面通过电解反应沉积导电聚合物薄膜材料电极体系、聚合反应的电流电压是影响单体聚合的主要因素。电化学聚合的反应设备通用、产品纯度高、聚合和掺杂可一步完成。其缺点为设备复杂、成本较高并且难以规模化生产。

22、1.3.4化学聚合法化学聚合法是在反应体系中加入单体,在氧化剂的作用下氧化导电聚合物单体聚合。化学聚合法是制备导电聚合物最常用的方法，在氧化剂的作用下，单体发生氧化偶联反应先生成二聚体，二聚体再生成三聚体，最终生成导电聚合物。反应单体浓度、氧化剂种类与用量、掺杂剂的种类与用量、反应温度、反应时间等条件最终影响导电聚合物的性质化学聚合法具有制备工艺简单、成本低、可批量生产的优点。1.3.5微乳液法微乳液法是在表面活性剂的作用下，,导电聚合物单体増溶到表面活性剂形成的胶束中，在氧化剂的作用下氧化聚合得到导电聚合物。所制备的导电聚合物具有粒径分布窄、粒径小的优点。微乳液聚合是制备纳米级导电聚合物的一

23、种行之有效的方法。微乳液是由油（通常是单体）、水、表面活性剂和助表面活性剂组成的热力学稳定体系。在导电聚合物的聚合过程中，单体増溶到表面活性剂胶束中。在氧化剂的作用下单体在胶束中成核长大。微乳液聚合制备的导电聚合物粒径通常为纳米级，单分散性优异。本文以石墨填充型导电聚合物为例，将石墨粉末做成石墨骨架，然后将骨架放入模具中，然后填充酚醛树脂粉末，最后再在一定的温度条件下将酚醛树脂粉末融化使其填充到石墨骨架中去。因此，上述的传统的导电聚合物制备方法无法加工出供试验需求的石墨骨架，所以我们在此引入3D打印技术，克服了传统制备方法的不足。3D打印选择性烧结成型技术打印类蜂窝状石墨骨架，即使用3D打印技

24、术构建了导电聚合物的导电网络，然后在石墨骨架中填充酚醛树脂，最终制备出石墨/酚醛树脂高分子导电聚合物。因此，我们我们引入激光粉末选择性烧结技术。1.4 SLS的简介及其优点1.4.1 激光粉末烧结技术（SLS）简介SLS激光烧结技术采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平滚子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。选择性激光烧结（SLS）材料广泛的快速成型工艺。SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯

25、汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。 SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关系极为

26、密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。在成型的过程中因为是把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办公空间，一般设备要有单独的办公室放置。另外成型后的产品是一个实体，一般不能直接装配进行性能验证。另外产品存储时间过长后会因为内应力释放而变形。对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。生产效率较高，运营成本较高，设备费用较贵。能耗通常在8000瓦以上。材料利用率约100%。1.4.2 SLS加工原理SLS的整个工艺流程有CAD的建模，前期数据处理，铺粉，烧结和后处理等。整个工艺装置是由成型缸和粉末缸组合而成，在及其工作的时候，粉末缸的送粉

27、活塞开始上升，接着辅粉辊把粉末在成型缸工作活塞上面均匀铺层，计算机依据设计原型的分层切片模型进行激光的二位扫描轨迹的控制，选择性烧结粉末材料并形成成型零件的一个层面。在完成一层粉末的烧结后，工作活塞将下降一层厚，辅粉辊再将工作活塞均匀铺粉，接着再进行激光束扫描烧结成锌层。以此类推，每层叠加在一起，直至其成型为三维零件。至结束时，机器把没有烧结的粉末进行回收并进入到粉末缸中，此时就可以取出成型工件了。对于石墨粉末或者金属粉末激光烧结，在工作之前，整个工作台会加热到所需问的，这样就可以减少在成型过程中的热变形，而且有利于层与层之间的结合。1.4.3激光烧结技术具有的特点及优势激光烧结技术具有的特点

28、及优势：1.SLS技术弓箭的成型速度非常快，就目前而言，最新机器可以达到的加工速度是1000g/h；2.SLS技术在成型零件时不需要支撑，成型的零件就是所需要的零件，所以它的材料的利用率很高；3.SLS技术在成型工作中能中途停止，操作员可以添加一些新的数据文件在设备中，之后继续开机进行成型工作，这可以让成型工作更加灵活的安排；4.SLS技术所选用的材料强度好，并且所成型的工件可直接进行装配测试，根本上优化了原型易碎及易变形的缺陷。最重要的成型的精度很高；5.和其他的快速成型法（RP）相比，SLS最突出的特点是设备可以选取使用的成型材料是非常广泛的，所有加热以后可以形成原子之间的沾结的粉末材料都

29、可被用作SLS技术的成型材料。2、实验设备及实验材料2.1实验设备2.1.1激光粉末烧结加工设备图1 HK S500粉末烧结快速成型系统图1所展示的设备为本次加工所用到的激光粉末烧结加工设备，为武汉华科三维科技公司的HK S500机型，所用到的激光器是进口55w的二氧化碳激光器，扫描系统为动态聚焦系统，速度为5 m/S，分层烧结厚度是0.08-0.3毫米，成型的精度为-0.2mm到0.2mm，成型仓的尺寸为500mm*500mm*400mm，所利用的铺粉方式为双缸送粉方式，主机外形的尺寸为2070mm*1280mm*2080mm。用到的加工材料是石墨与酚醛树脂的混合粉末。将绘制好的石墨蜂窝骨架

30、零件图装配好，保存为STL格式。利用HUST 3DP软件打开格式STL的装配图。本次所用到的HUST 3DP软件是华科三维自主研发的控制软件，它的主要功能是直接读取STL文件，在线式切片功能，在成型过程中可以随时改变参数，比如加工件的层厚、扫描间距、扫描方式等，并且可以三维可视化。接着我们将成型缸上升，用辅粉辊把粉铺到工作缸，以备加工时的铺粉工作。设置好参数，进行加工时间预估后开始工件的成型。2.1.2恒温干燥风箱图2 恒温干燥风箱本实验使用到的恒温干燥风箱是由上海光地仪器设备有限公司在15年3月份出厂的101A-2型恒温干燥箱，其额定电压220伏，额定功率为3200w，容积是450毫米*55

31、0毫米*550毫米，工作温度的范围是在10到300摄氏度。2.1.3超声波清洗机图3比朗超声波清洗机图3所示的是本次用到的超声波清洗机，它是上海比朗仪器有限公司制造的BL10-250C型超声波清洗机，具有加热功率可调，频率可在40KHz/59KHz自由切换，室温80温度可调范围，数显记忆和设定超声清洗时间，199钟工作时间设定等优点。2.1.4 TH2512型智能直流低电阻测试仪图4 TH2512型智能直流低电阻测试仪图4所示的是本次实验用到的电阻测试仪。TH2512直流低电阻测试仪是智能化、宽范围、高精度的直流电阻测试器，适用于变压器及其电感线圈铜阻、继电器接触电阻、开关、接插件接触电阻、导

32、线电阻、原件焊点接触电阻、印制版线条及其焊孔电阻、金属探伤等。应用于生产线，可使用HANDLER接口及其GPIB（选件）输出良品/不良品信号，以提高生产线自动化测试能力。TH2512直流低电阻测试仪精度高，显示范围为0.001m1.9999M基本精度为0.05%，最小的分辨率为1，4位半LED显示，稳定性好，直读值与百分比误差显示。2.2实验材料本次选定树脂为酚醛树脂，由于我们的3D打印机里使用的材料为石墨粉和酚醛树脂的混合物。由于石墨本身无法在高温下烧结成型，因此加入酚醛树脂粉末是为了使石墨粉末在激光的烧结下固化成型，所以我们这次实验选择了两种酚醛树脂：2130酚醛树脂和2123酚醛树脂。使

33、用酚醛树脂是考虑到骨架本身使用的是酚醛树脂烧结成型的，所以为得到性能更加优良的导电聚合物，此次实验也使用酚醛树脂作为基体材料。2.2.1 2130酚醛树脂图5 2130酚醛树脂图5所示的本次实验用到的树脂为济宁华凯树脂有限公司所生产的2130酚醛树脂，本产品系由苯酚和甲醛在碱类催化下聚合而成的高临位的热固性树脂，易溶于醇类及丙酮溶剂中。加入多量的水时变浑浊，受热固化，加入石油磺酸或对甲苯磺酰氯固化剂，可在室温下固化，具有优良的耐腐蚀性和抗水性能2130酚醛树脂是一种淡黄色到红棕色的透明粘稠液体，并且它属于热固性树脂。内部游离酚含量小于等于百分之十二，固有含量占比大于等于百分之八十。其可以制作酚

34、醛胶泥、粘合剂、涂料与酚醛玻璃钢，同时还可以与环氧树脂配合使用。2130酚醛树脂系热固化性树脂，不能长期存放。贮藏方式应存于阴凉通风处，避免阳光直射，远离热源。表1中所示的是2130酚醛树脂的一些性能指标：表1 2130酚醛树脂的性能指标粘结强度（MPa，与耐酸砖）1缩 率（） 4抗压强度（MPa） 70抗拉强度（MPa）6游离酚 12%固含量 75% 2.2.2 2123酚醛树脂图6 2123酚醛树脂2123酚醛树脂甲醛和苯酚在酸性的介质下缩聚而成的高聚物，外观呈无色至黄色粉末或透明块状，其具有热塑性，能多次融化凝固而不改变性能，加入615%的乌洛托品变成热固性在150温度下固化成型，具有一

35、定的机械强度和电绝缘性能。用于冶金铸钢绝热板、干式镁质捣打料、干式铁钩料、铸件造型、砂轮粘结剂、中间绝热板、绝热帽，橡塑助剂等。2123酚醛树脂的软化点在95-110摄氏度，流长25-40毫米，熔点在85-92摄氏度，游离酚含量3.0%-4.0%。平时不用的时候应存放于通风、避光、干燥处。2.2.3无水乙醇图7 无水乙醇图7是此次实验用到的无水乙醇，无水乙醇的作用是作为稀释剂稀释2130酚醛树脂，无水乙醇应储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过37。保持容器密封。应与氧化剂、酸类、碱金属、胺类等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区

36、应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。表2所示的是无水乙醇的性能指标:表2 无水乙醇的性能指标式样式CH3CH2OH相对分子质量46.07含量（CH3CH2OH）99.7%密度（20,g/ml）0.7890.791杂质最高含量（以%计）水分（H2O）0.3甲醇（CH3OH）0.05异丙醇（CH3)2CHOH）0.01羟基化合物（以CO计）0.003还原高锰酸钾物质（以O计）0.00025碱度（以OH计）0.01酸度（以H计）0.04蒸发残渣0.0001易炭化物质合格与水混合试验合格2.2.4 NL固化剂图8 NL固化剂NL固化剂是酚醛树脂或呋喃树脂的高效低毒的固化剂。NL固化剂基本无毒，没有

37、任何刺激性的气味，并且固化以后的树脂耐腐蚀性好、强度高并且其使用方便用量又可以很少就可以达到目的，保存期限又很长。NL固化剂适用于具有热固性的酚醛树脂以及呋喃树脂在常温下的固化。酚醛树脂或呋喃树脂利用NL固化剂来固化时，需要非常注意NL固化剂对填料的要求较高，填料的耐酸性要达到相应的标准，假如用的是劣质填料，那么其中会含有碳酸钙，因而在实验过程中会和酸性固化剂反应产生气泡，并最终导致制备的导电聚合物中含有大量的气泡，甚至于都可以造成树脂不固化的现象。在室温下密闭保存。2.2.5 FWT30型号的哑光分离膜图9 FWT30型号的哑光分离膜我们这次实验所用到的分离膜是江苏工业园区广惠科技有限公司生

38、产的FWT30型号的哑光分离膜。本产品是在原料上进行了适当的变化，增加了二氧化硅并在其表面加了硅氟的涂层使得分离膜具有了哑光的性能，并且使其在和限定的材料在某些条件下接触之后不会具有粘性或者轻微的粘性。具体参数由表3可知。表3 FWT30型号的哑光分离膜的参数型号材质类型厚度颜色离型力FWT30PET薄膜耐高温膜0.030mm乳白色轻2.2.6 石墨纸图10 石墨纸 图10所示的是实验中用到的两种石墨纸，左图的石墨纸较厚，是用来在后面实验的实验中折叠石墨纸盒用的；右图中的石墨纸较薄，是后面做电学实验用到的，作用是增加接触面积，降低实验的偶然误差。3、骨架的设计、成型、工艺及后处理3.1 石墨骨

39、架的设计及选择性烧结成型3.1.1石墨骨架整体尺寸的确定本次实验设计了平行边型和Y字型两种石墨骨架。石墨骨架的整体大小确定：决定石墨骨架横向的尺寸是由后期做力学性能抗弯强度实验压头的尺寸所决定的。由于压头的横向最大尺寸是40mm，因此使得石墨骨架的横向尺寸不能超过40mm。还由于石墨骨架基本单元的宽度1.5mm，且加工时存在误差，所以在设计的石墨骨架的横向尺寸不能超过38.5mm这个尺寸。对于纵向尺寸，为了使单位体积内的蜂窝数量较多，克服因为蜂窝少而出现实验的偶然性及误差，纵向尺寸一定要比横向尺寸要长；同时综合考虑2、3、4、5蜂窝在纵向方向上都能形成完整的蜂窝；且纵向尺寸也不能过长，这样既浪

40、费实验用料、增加实验时间，还会出现因为横向纵向尺寸的不协调带来的局部实验误差，所以将石墨骨架的纵向尺寸定为不超过65mm。最终的尺寸在59mm左右。蜂窝堆叠的层数，我们将其定为五层，这样可以形成完整且稳定性好的蜂窝骨架。蜂窝每层之间的间距开始定为1.5mm，但是由于考虑到后期利用激光粉末烧结技术成型之后需要进行缝隙间的清灰，加上考虑到加工过程中存在误差导致实际尺寸要稍小于1.5mm,所以1.5mm间距显然较小，这样清灰的话很可能造成成型骨架的破坏，所以最终将层高加高到2mm，这样可以一定程度地降低清灰的难度。为了降低清灰的难度，我们根据初步的实验经验和设计的蜂窝结构，将层与层之间的距离合理地调

41、整为2mm，且将第一层与第四层之间的间隔由最开始的间隔一层重新调整为两层。在一定的程度上降低了清灰的难度的同时使得后期在填充酚醛树脂时更加充分，一定程度上减少气孔的产生，保证了实验的准确性。3.1.2石墨蜂窝骨架单位体结构及尺寸的确定在确定了蜂窝骨架整体尺寸之后，我们需要进一步确定单元体的结构以及单元体的尺寸。在结构方面，选取两种常用并且比较稳定的结构：Y字型结构和平行边结构，这两种结构不仅比较稳定，而且非常有利于成型之后的清灰。在每层的搭叠方式方面，所用搭叠方式要保证不要有单层缝隙，全部搭叠成双层缝隙，这样清灰的难度会降低很多，并且在后期浇注树脂的时候，可以让液态的树脂尽可能的渗透在每个蜂窝

42、孔洞里，以免使得有不完全渗透的孔洞，使实验出现不该出现的误差。石墨骨架的最小单元的尺寸，通过控制横向距离上的蜂窝的数量，且为了满足石墨骨架最终打印出来能形成完整的蜂窝，我们将横向的蜂窝数定为2个、3个、4个、5个，依次对应的蜂窝边长为11mm、7.3mm、5.5mm和4.4mm。但是为了层与层连接更加充分，以此来提高整体的稳定性和强度，且边的长度方向上两端要延长一定距离，这里我们每条边共延长1mm。 石墨骨架的最小单元的边宽定为1.5mm。这样所有的关于石墨蜂窝骨架的立体结构都已经确定下来，接下来就可以进行CAD/CAM的建模以及骨架的成型了。3.1.3石墨骨架的三维建模本次所使用的三维造型软

43、件是Pro/E，Pro/E操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/E软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。图12是根据石墨骨架的设计参数使用Pro/E三维造型软件绘制而成的。11a 2蜂窝的1字形和Y字形11b 3蜂窝2蜂窝的1字形和Y字形11c 4蜂窝的1字形和Y字形11d 5蜂窝的1字形和Y字形图11 Proe建模得到的模型3.1

44、.4石墨骨架的选择性烧结成型将绘制好的石墨蜂窝骨架零件图装配好，保存为STL格式。利用HUST 3DP软件打开格式STL的装配图。本次所用到的HUST 3DP软件是华科三维自主研发的控制软件，它的主要功能是直接读取STL文件，在线式切片功能，在成型过程中可以随时改变参数，比如加工件的层厚、扫描间距、扫描方式等，并且可以三维可视化。接着我们将成型缸上升，用辅粉辊把粉铺到工作缸，以备加工时的铺粉工作。设置好参数，进行加工时间预估后开始工件的成型。图12 HK S500加工界面及其参数设置3.1.5 选择性激光烧结得到的石墨骨架图13 选择性烧结成型得到的石墨骨架3.1.6打印骨架注意问题 由于我们

45、使用的打印材料里面含有石墨，石墨具有优良的导电性，因此在实验之前要注意检查设备是否有石墨粉末的沉积，尤其是要注意插座口，如果有石墨沉积极容易造成短路，更严重的是引起火灾。做完实验后我们要及时的清理石墨粉末，以免空气对流造成石墨粉末飞扬，从而造成粉末的沉积。实验之前要检查三个粉缸里的石墨粉末，大致原则是两边粉缸的粉末高度是中间石墨粉末的高度的1倍。3.2石墨骨架的后处理3.2.1石墨骨架的清灰将打印好的石墨骨架尽快地从3D打印机中取出，首先使用粗毛刷将工件多余的大致清理下，避免石墨粉末的浪费和保护加工设备不被损坏，然后使用细毛刷再清灰，最后使用负压将石墨骨架的间隙中粉末清理干净。由于石墨疏松多孔

46、，吸水性好，如果清灰的间隔时间过长会导致石墨骨架的间隙中的石墨粉磨受潮结块，最终导致清灰不彻底；由于石墨骨架受潮后力学性能变差，可能会导致在清灰时石墨骨架容易断裂；再石墨骨架本身的力学性能不佳，易于断裂，因此在将其拿出3D打印机的时候要特别小心；且在在清灰的过程中，用力要轻、动作要慢。将清理出来的石墨粉末重新倒入3D打印机的粉缸中。3.2.2石墨骨架的超声波水在清灰结束之后，石墨骨架内部层间缝隙仍然还有很多粉末没有被清理掉，所以要将清灰完成后的石墨骨架进行超声波水洗。将石墨骨架置于装有清水的一次性杯子内，然后将一次性杯子放入超声波清洗机内，开启设备，用超声波清洗约30min，利用超声波水洗之后所有的清灰工作就完成了。超声波水洗后，石墨骨架吸收了大量的水分，因此就需要利用烘箱将石墨骨架将其烘干，将烘箱的温度调到170烘1个小时，这样既可以将石墨骨架里的水分烘干，又将石墨骨架里未被烧结的粉末二次烧结，增加石墨的的强度和力学性能。超声波水洗的原理：超声波是频率大于两万赫兹的声波，它具有强大的穿透能力，方向性极好，可以比较容易获得集中的声能，可以在水介质中传播较远距离。超声波清洗机的主要原理是，超声波通过换能器把功率超声频源的声能转化为了机械震动，利用清洗槽壁把超声波腐蚀到槽中的清洗液，接着收到超声波的辐射之后把槽内的液体中的微气泡可以在声波的作用下从而保持振动。超声波不仅可以破坏污