CN106278067A

CN106278067A - 用于3d打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料

Info

Publication number: CN106278067A
Application number: CN201610681060.3A
Authority: CN
Inventors: 夏学云
Original assignee: Shanghai Min Xuan Steel Structure Work Co Ltd
Current assignee: Shanghai Min Xuan Steel Structure Work Co Ltd
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料。由分散剂，碳纤维和水泥基体组成，碳纤维是短切沥青基碳纤维，水泥基基体的组成成分包括：水泥，矿物细掺料，精细沙，外加剂和拌和水，其中水泥是硫铝酸钙改性硅酸盐水泥。本发明制成的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，具有高比强度、密度小、凝结时间短等优异性能，能够满足3D打印技术对材料的性能和适用性的更高要求。同时本发明使用的硫铝酸钙改性硅酸盐水泥不仅具有硅酸盐水泥的一系列优良特性，而且还具有硫铝酸盐水泥水化硬化快、早期强度高、硬化时体积收缩小、耐久性良好等特点，并对节能减耗以及环境保护等具有重要的现实意义。

Description

用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料

技术领域

本发明涉及一种3D打印材料，具体涉及一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料。

背景技术

3D打印技术是一种与减材制造和等材制造等传统的制造技术迥然不同的制造技术，它以模型的三维数据为基础，通过打印机喷嘴挤出材料，逐层打印增加材料来生成3D实体的技术，因此又称为添加制造。与传统的减材制造相比，3D打印不仅可以提高材料利用率，还可以用更短的时间制造出比较复杂的产品。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本，并具有更高的打印精度。随着3D打印技术的不断进步和成熟，它在高端制造、教育、建筑设计、医疗、航空航天、文化创意等领域得到了一定应用。

3D打印在建筑领域得到应用后，形成一种颠覆传统的全新的建筑方式。与传统建筑技术相比，3D打印建筑的优势主要体现在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率；不再需要使用模板，可以大幅节约成本；更加绿色环保，减少建筑垃圾和建筑粉尘，降低噪声污染；减少建筑工人的使用，降低工人的劳动强度；节省建筑材料的同时，内部结构还可以根据需求运用声学、力学等原理做到最优化；可以给建筑设计师更广阔的设计空间，突破现行的设计理念，设计打印出传统建筑技术无法完成的复杂形状的建筑。

然而作为一项新兴技术，3D技术对材料的性能和适用性提出了更高的要求，可用材料种类偏少，材料成本较高，材料成为制约3D打印技术发展的主要因素之一。传统的水泥基混凝土材料是一种典型的建筑材料，然而由于其功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度差，不能满足3D打印技术对材料的性能和适用性提出的更高要求。碳纤维由于具有高比强度、高比模量、密度小、耐腐蚀、导电性好、对人畜无害等优异性能而颇受材料科学工作者的青睐,被视为许多复合材料的优良增强体。将破纤维加入到水泥基体中，制成破纤维增强水泥基复合材料，不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷，使其具有质轻、强度高、扩散性强、成型后表面质量高等优点，从而适用于3D打印技术。

硫铝酸钙改性硅酸盐水泥目前在国内已有丰富的生产实践，该种水泥在提高水泥性能、降低消耗、大幅度增加混合材使用量方面取得了很好的社会经济效益。该种水泥发挥了硅酸三钙和无水硫铝酸钙矿物早强、高强的特性，成功实现了在低温下硅酸三钙和无水硫铝酸钙矿物的复合与共存，复合后的水泥不仅具有硅酸盐水泥的一系列优良特性，而且还具有硫铝酸盐水泥水化硬化快、早期强度高、硬化时体积收缩小、耐久性良好等特点。由于其硫铝酸钙改性硅酸盐水泥熟料对粉煤灰等火山灰类材料具有超强的活性激发效果，因此可以在水泥中加大粉煤灰等混合材的利用率，从而减少熟料的用量也就减少了能量的消耗，这对节能减耗以及环境保护等具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，强度高且可塑性强，解决现有普通水泥基材料脆度大、自重大、流动性差、不适用于3D打印过程的技术问题。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案是：一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，由分散剂，碳纤维和水泥基基体组成，所述碳纤维是短切沥青基碳纤维，所述水泥基基体的组成成分包括：水泥，矿物细掺料，精细沙，外加剂和拌和水，所述水泥是硫铝酸钙改性硅酸盐水泥。

优选的，所述短切碳纤维的长度为1-2mm。

优选的，所述分散剂为甲基纤维素。

优选的，所述短切碳纤维的量占该碳纤维增强水泥基复合材料总体积的2.0—4.0%。

优选的,所述硫铝酸钙改性硅酸盐水泥基基体的组成成分按照质量百分比包括：

石灰石 70.5%～73.5% ；

铝矿尾渣 12.5%～13.5% ；

砂岩 0.5%～2.5% ；

工业废石膏 6%～8% ；

粉煤灰7.5%～10.5%。

本发明还公开了一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、取适量的甲基纤维素溶于温水中，均匀搅拌2-3min，将其分散开来，然后加入短切沥青基碳纤维，继续均匀搅拌3-4min；

步骤二、按照水泥基基体的组成成分的质量配比，制备硫铝酸钙改性硅酸盐水泥；

步骤三、将搅拌均匀的碳纤维和甲基纤维素与硫铝酸钙改性硅酸盐水泥混合均匀，浇筑振捣成型，即可制得用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料。

优选的，所述甲基纤维素的掺量小于水泥质量的1%。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明将破纤维加入到水泥基体中，制成破纤维增强水泥基复合材料，不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷，使其具有质轻、强度高、扩散性强、成型后表面质量高等优点，从而适用于3D打印技术。

本发明使用的水泥是硫铝酸钙改性硅酸盐水泥，该种水泥发挥了硅酸三钙和无水硫铝酸钙矿物早强、高强的特性，成功实现了在低温下硅酸三钙和无水硫铝酸钙矿物的复合与共存，复合后的水泥不仅具有硅酸盐水泥的一系列优良特性，而且还具有硫铝酸盐水泥水化硬化快、早期强度高、硬化时体积收缩小、耐久性良好等特点，能够获得更快的凝结时间和更好的早期强度，从而满足3D打印对材料凝结时间和早期强度的更高要求。

本发明使用的水泥是硫铝酸钙改性硅酸盐水泥，由于其硫铝酸钙改性硅酸盐水泥熟料对粉煤灰等火山灰类材料具有超强的活性激发效果，因此可以在水泥中加大粉煤灰等混合材的利用率，从而减少熟料的用量。由于熟料在烧成过程中需要消耗大量的能量，因此减少熟料的用量也就减少了能量的消耗，这对节能减耗以及环境保护等具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明一种用于3D打印技术碳纤维增强水泥基复合材料的制备流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明的具体实施技术方案做进一步详细说明。

实施例1

以制作一种沥青基碳纤维增强水泥基复合材料为例。本实施例中硫铝酸钙改性硅酸盐水泥的组成成分的配比是: 石灰石 70.5% ；铝矿尾渣 12.5% ；砂岩 1.0% ；工业废石膏6.5% ；粉煤灰9.5%。

上述3D打印材料的制备方法为:

步骤一、取占水泥质量0.6%的甲基纤维素溶于温水中，均匀搅拌2-3min，将其分散开来，然后加入占该碳纤维增强水泥基复合材料总体积的2.0%的短切沥青基碳纤维，继续均匀搅拌3-4min；

步骤二、按照上述水泥基基体的组成成分的质量配比，制备硫铝酸钙改性硅酸盐水泥；

实施例2

以制作一种沥青基碳纤维增强水泥基复合材料为例。本实施例中硫铝酸钙改性硅酸盐水泥的组成成分的配比是: 石灰石 71.5% ；铝矿尾渣 11.5% ；砂岩 0.5% ；工业废石膏6.5% ；粉煤灰10.5%。

上述3D打印材料的制备方法为:

步骤一、取占水泥质量0.6%的甲基纤维素溶于温水中，均匀搅拌2-3min，将其分散开来，然后加入占该碳纤维增强水泥基复合材料总体积的4.0%的短切沥青基碳纤维，继续均匀搅拌3-4min；

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，由分散剂，碳纤维和水泥基基体组成，所述碳纤维是短切沥青基碳纤维，所述水泥基基体的组成成分包括水泥、矿物细掺料、精细沙、外加剂和拌和水，所述水泥是硫铝酸钙改性硅酸盐水泥。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述短切沥青基碳纤维的长度为1-2mm。

3.根据权利要求1所述的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述分散剂为甲基纤维素。

4.根据权利要求1或2所述的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述短切沥青基碳纤维的含量占该碳纤维增强水泥基复合材料总含量的 2.0~4.0%。

5.根据权利要求1所述的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述硫铝酸钙改性硅酸盐水泥的组成成分按照质量百分比包括：

石灰石 70.5%～73.5%

铝矿尾渣 12.5%～13.5%

砂岩 0.5%～2.5%

工业废石膏 6%～8%

粉煤灰 7.5%～10.5%。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤三、将搅拌均匀的上述碳纤维、甲基纤维素与硫铝酸钙改性硅酸盐水泥混合均匀，浇筑振捣成型，即可制得用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料。

7.根据权利要求6所述的用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，所述甲基纤维素的掺量小于水泥质量的1%。