一种用于PBF-LB方法制造水平悬垂Ti6Al4V金属结构的分级激光能量输入策略

《Journal of Materials Research and Technology》：A novel graded laser energy input strategy for fabrication of horizontal overhanging Ti6Al4V metallic structures with PBF-LB method

　　

研究人员使用有机湖底腐殖质（sapropel）作为粘结剂，制备了一种用于保温和建筑领域的复合材料。为获得良好的复合材料性能，对腐殖质本身以及腐殖质与填料之间的接触区域进行了改性。为改善木屑与腐殖质的粘附性，对木屑进行了机械、热处理和化学处理，以使其表面粗糙化、不均匀化并赋予疏水性能。为改善腐殖质的粘附性能，对其进行了机械清洁和活化，以增加其表面积，减少破坏接触区域的杂质，并增加活性键的数量。为优化复合材料的性能，改变了木屑与腐殖质的比例、施加于混合物的压力以及疏水剂和阻燃剂的使用。使用了相对于木屑质量8%至72%的腐殖质作为粘结剂。研究发现，腐殖质的用量决定了复合材料的密度、导热系数和抗压强度。确定了材料密度、导热系数和抗压强度之间的最优比例。研究发现，使用32%腐殖质（相对于木屑质量）可获得密度为251 kg/m³、10%变形下压缩应力为141 kPa、导热系数为0.0586 W/(m·K)的复合材料。使用5%的膨胀石墨（expanded graphite）可获得不可燃复合材料，而使用天然亚麻籽油（linseed oil）和方解石石灰（calcite lime）可将复合材料的吸水率从12%降低至1.7%。

**研究背景与问题**
近年来，环保建筑材料受到广泛关注，天然纤维和有机粘结剂被用于开发可持续复合材料。然而，天然纤维的强亲水性导致其与聚合物粘结剂界面结合差，而传统矿物粘结剂（如水泥）存在高CO₂排放、高吸水率等缺陷，合成树脂则可能释放有毒物质且难降解。有机湖底腐殖质（sapropel）作为一种可再生、具有良好粘附特性的天然有机粘结剂，其作为粘结剂的研究尚不充分。现有研究指出，腐殖基复合材料的强度和生物抗性需提升，且其热学和声学性能需精确控制组分比例。因此，本研究旨在开发一种以有机腐殖质为粘结剂、木屑为填料、通过改性优化性能的保温复合材料，实现强度、导热系数、防水性和阻燃性的平衡。

**研究内容与结论**
研究人员以有机湖底腐殖质（sapropel）为粘结剂，木屑（0–20 mm，经热化学处理）为填料，制备了保温复合材料。通过调整腐殖质含量（8%–72%）、添加水合石灰（hydrated lime）、天然亚麻籽油（linseed oil）和膨胀石墨（expanded graphite），系统研究了复合材料的密度、抗压强度、导热系数、短时吸水率及阻燃性，并利用扫描电子显微镜（SEM）分析微观结构。主要结论包括：最优配方（32%腐殖质）可获得密度251 kg/m³、10%变形压缩应力141 kPa、导热系数0.0586 W/(m·K)的复合材料；添加5%膨胀石墨实现不可燃（火焰高度23 mm）；使用亚麻籽油和石灰（石灰/油比≥4）将吸水率从11.2 kg/m²降至1.79 kg/m²。该研究为开发环保型保温复合材料提供了新途径，论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**关键技术方法**
1. **腐殖质机械活化**：通过1 mm筛网去除杂质，再以1200 rpm搅拌9 min，提高分散性和均匀性，增强粘附性。
2. **木屑热化学处理**：用10%碳酸钠溶液煮沸1 h后浸泡23 h，再水洗干燥，以粗糙化表面并去除细颗粒，改善与腐殖质的接触。
3. **压缩成型与热固化**：将混合物在模具中加压至水分析出，随后在160 °C干燥5 h，使腐殖质硬化。
4. **微观结构表征**：采用扫描电子显微镜（SEM，Zeiss EVO-50 EP）观察样品碳涂层后的表面形貌。
5. **热性能与力学测试**：用热流计（FOX 304）测量导热系数（EN 12664）；用万能试验机（H10KS）测定压缩强度（EN ISO 29469）和弯曲强度（EN 12089）。
6. **吸水率与阻燃性测试**：短时吸水率采用部分浸没法（EN ISO 29767）；阻燃性采用小火焰法（EN ISO 11925-2）。
7. **统计分析**：应用方差分析（ANOVA）和回归分析（STATISTICA 8.0）拟合数据。

**研究结果**
**3.1 腐殖质（Sapropel）**
通过SEM观察，未经机械活化的腐殖质硬化后出现大量裂纹、分层及杂质，而活化后的腐殖质形成均匀、无裂纹的基体。去除植物种子等杂质后，硬化体与杂质之间未形成有效接触区，表明杂质表面光滑不利于粘附。

**3.2 木屑（Wood chips）**
热化学处理后，木屑中细颗粒显著减少，表面粗糙度增加（SEM观察），这有利于增强与腐殖质的机械互锁。

**3.3 复合材料（Composites）**
随着腐殖质含量从8%增至72%，复合材料颜色加深，宏观孔隙增多。8%时仅形成少量接触区；32%时部分木屑未被覆盖；72%时木屑完全被腐殖质包裹，但大孔隙显著。

**3.4 混合物压力水平（Mixture pressure level）**
通过测量压制过程中样品厚度减少量（ΔH），发现腐殖质含量从8%增至72%时，ΔH从72.3 mm降至2.0 mm。回归方程（Eq. 1）描述了ΔH与腐殖质含量的关系。过高的压力（>40%压缩比）导致腐殖质从混合物中析出，过低压力则使样品边缘填充不足。

**3.5 压缩测试（Compression testing）**
无添加剂时，压缩应力随密度先增后减，在密度230.8 kg/m³时达到最大114 kPa（Eq. 2、3）。添加石灰和油后，压缩应力与密度呈线性正相关（Eq. 5），最大应力达374 kPa（密度393 kg/m³）。密度随腐殖质含量增加而降低（Eq. 4、6）。

**3.6 导热系数（Composite thermal conductivity）**
导热系数与密度呈线性正相关（Eq. 7），密度从185增至400 kg/m³时导热系数从0.0530增至0.0723 W/(m·K)。随腐殖质含量从0%增至72%，导热系数降低26.8%（Eq. 8），密度降低52.4%（Eq. 9）。

**3.7 添加剂对复合材料性能的影响（Influence of additives on composite properties）**
**3.7.1 吸水率（Water absorption）**
亚麻籽油用量从0%增至20%时，短时吸水率从11.2 kg/m²降至7.74 kg/m²，分为三个递减区，10%–20%区域趋于稳定（Eq. 10）。加入石灰后，随石灰/油比从0.5增至5，吸水率进一步降至1.76 kg/m²，分为四个区，其中比≥4时进入稳态（Eq. 11）。

**3.7.2 阻燃性（Flammability）**
膨胀石墨用量从0%增至7%时，火焰高度从250 mm降至22.7 mm，分为四个区，5%–7%区域火焰高度稳定在23 mm（Eq. 12）。方差分析表明5%石墨足以实现不可燃。

**3.7.3 添加剂对结构的影响（Influence of additives on the structure of the composite）**
SEM显示膨胀石墨在燃烧后显著膨胀形成多层薄片屏障；石灰形成方解石晶体；亚麻籽油形成薄膜涂层，三者共同作用优化了复合材料的微观结构。

**讨论与结论**
讨论部分综合了各因素对性能的影响，强调腐殖质含量是密度和导热系数的关键决定因素，而添加剂（石灰、油、石墨）分别改善了强度、防水性和阻燃性。研究结论如下：
1. 腐殖质的机械活化可在硬化前后获得均匀结构，去除杂质可改善硬化后接触区的形成。
2. 木屑的热化学处理可减少细颗粒并增加表面粗糙度。
3. 不同腐殖质含量决定复合材料的外观和结构，增加含量会增大孔隙但更完全覆盖木屑。
4. 过度压制会导致腐殖质析出，腐殖质从72%降至8%时压制水平增加70倍以上。
5. 抗压强度由腐殖质含量决定，无添加剂时最大达114 kPa，添加石灰和油后可达374 kPa。
6. 最低导热系数（0.0530 W/(m·K)）出现在72%腐殖质时，但此时压缩强度降低。
7. 亚麻籽油可使吸水率降低1.45倍，合理配比石灰和油可将吸水率从11.2降至1.79 kg/m²。
8. 使用5%膨胀石墨可获得不可燃复合材料。
9. 膨胀石墨、亚麻籽油和石灰的共同作用决定了复合材料的微观结构并改善了性能。