改进增材制造： 碳黑在激光加工中的作用

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最近发表在《先进光子学研究》（Advanced Photonics Research）上的一项研究探讨了炭黑（CB）纳米粒子如何改善聚合物激光粉末床熔融（PBF-LB/P）中使用的聚合物粉末的热光学特性。

背景

PBF-LB/P 是一种精密增材制造方法，它使用聚焦激光束逐层熔化聚合物粉末。这种方法可以制造复杂的几何形状，并减少材料浪费。随着生产领域向更节能的方向发展，近红外二极管激光器正在取代传统的二氧化碳（CO2）激光器。然而，许多聚合物对近红外光是透明的，这限制了激光的吸收，降低了加工效率。它们的高表面积和与聚合物的相容性有助于提高能量吸收和加工性能。尽管有这些优点，但必须解决颗粒团聚和机械性能变化等挑战。正确管理 CB 纳米粒子的分布和集成是充分发挥其在增材制造中的潜力的关键。

炭黑纳米粒子的研究

研究人员研究了炭黑纳米粒子的数量、位置和分散如何影响 PA11 粉末在 PBF-LB/P 过程中的光学和热学行为。他们采用了两种方法：表面添加（SA）和体积添加（VA），前者是在粉末颗粒的外表面添加纳米颗粒，后者是在整个材料中嵌入纳米颗粒。

为了分析这些粉末，研究小组使用了多种技术：

- 差示扫描量热仪（DSC）检查热行为；

- 扫描电子显微镜（SEM）进行表面成像；

- 激光衍射评估粒度分布；

- 偏光显微镜研究晶体结构；

- 使用 808 纳米激光的双积分球装置测量有效衰减系数，模拟真实的 PBF-LB/P 条件。

主要发现： 炭黑对粉末性能的影响

结果表明，两种添加方法之间存在明显差异。与体积添加法相比，表面添加法的粉末表现出更强的激光衰减。

在 0.005 vol% CB 的低浓度条件下，SA 粉末的衰减系数提高了约 2.8 倍，而 VA 粉末的衰减系数提高了 1.9 倍。这种差异归因于 SA 样品的颗粒表面形成了纳米颗粒层，从而形成了更有效的光学屏障。

在粒度方面，SA 保持了 PA11 粉末原有的粒度范围。相比之下，由于加工过程中结晶的变化，VA 造成了明显的减小（CB 浓度较高时可达 38 微米）。保持 45 到 90 微米之间的粒度对于 PBF-LB/P 的稳定性能非常重要，因此这种变化具有实际意义。

CB 的添加也影响了聚合物的结晶行为。与未改性的 PA11 相比，SA 粉末的结晶度更高，熔化温度也更高。DSC 分析表明结晶开始得更早，从而缩小了加工窗口。这意味着必须更加小心地控制激光和温度设置，以防止过早凝固。

激光吸收测量证实，原始 PA11 对近红外光的吸收非常少。然而，CB 增强粉末（尤其是经过表面增活处理的粉末）的有效激光吸收率增加了 14 倍。这些结果突显了纳米粒子的位置和分散在控制热和光学性能方面的重要性。

增材制造的潜在应用

这项研究为改进增材制造提供了若干启示。通过调整 CB 纳米粒子的添加和分布方式，制造商可以提高激光加工的效率和打印部件的质量。尤其是表面添加剂，可在不显著改变粉末形态的情况下极大地改善激光吸收。

研究结果还支持开发将纳米添加剂与基础材料相结合的聚合物配方，以减少能源消耗和材料浪费。这些改进将使航空航天、汽车和医疗保健等对部件性能和生产效率要求较高的行业受益。

虽然 SA 可以改善光学性能，但 VA 可能会带来不同的好处（如热稳定性），但也会导致流动性降低和颗粒间内聚力增加等挑战。平衡这些权衡对于根据特定应用定制粉末性能非常重要。

结论

研究表明，碳黑纳米粒子能显著改善 PBF-LB/P 中使用的 PA11 粉末的热光学特性。纳米颗粒的位置和分散在优化激光相互作用、能效和最终零件质量方面起着关键作用。

未来的研究应侧重于完善纳米颗粒集成方法、测试替代添加剂以及评估打印零件在实际条件下的长期性能。这些工作将有助于推进为增材制造量身定制的高性能、可持续材料，支持更好的工艺可靠性和更低的环境影响。