石墨微粉喷射3D打印成型数值模拟与实验研究

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超级电容器作为一种新型储能器件,在信息、电子、仪表等领域起到重要的作用,电极作为超级电容器的关键部件,其作用是储存和释放电荷,对电容器的比容量等性能有重要的影响。纳米石墨片以其优异的超高的比表面积以及良好的电导率有望成为最理想的电极功能材料,得到广大研究者的重视。然而,纳米石墨片质轻、易团聚、流动性差,成形十分困难,本文尝试采用微粉喷射3D打印方法来制备超级电容器电极,对实现纳米石墨片电极的器件化制备具有重要意义。  开发一套适用于制备超级电容器复杂电极的纳米石墨片微喷射3D打印成型装置。该装置主要包括以下几个部分:气体控制单元、三轴运动平台、石墨微粉送粉器、3D打印喷头、控制软件等。气体控制单元为微喷射3D打印成型装置提供稳定的动力;三轴运动平台则实现了3D打印喷头的准确定位和移动;石墨微粉送粉器利用定容积法确保了能够定量输送微量粉体;3D打印喷头能够将负载气体和打印粒子加速至其临界速度;控制软件则进一步完善了整个系统的控制。有别于传统的冷喷涂实验系统,设计的纳米石墨片微喷射3D打印成型装置,利用专门设计的石墨微粉送粉器和3D打印喷头,目的是为了有效的控制纳米石墨片粒子分散特性。  建立气固两相计算模型,利用数值模拟技术研究了不同工艺参数对石墨微粉喷射速度的影响,为获得合理的工艺参数提供参考依据。研究发现粒子经过3D打印喷头获得了较好的加速效果,粒子速度随着入口压力增大而增大,随着打印距离的增大而减小,粒子粒径越大其能达到的速度越小。此外,对比研究喷头结构对微粉喷射打印速度影响,研究发现在单相自由射流情况下,不同喷头结构对微粒速度影响比较大,椭圆形喷头>矩形喷头>圆形喷头。  模拟分析了不同工艺参数和喷头结构对粒子在基体上分布范围及分布均匀性的影响,为后续实验提供参考。研究发现粒子在基体上的分布范围随入口压力和打印距离的增大而增大,随粒径增大而减小,在打印区域的对比上,椭圆形喷头>矩形喷头>圆形喷头。利用设计的微喷射3D打印成型装置,制备了不同工艺参数、不同结构3D打印喷头的打印特征点,验证分析了不同工艺参数对打印特征点大小及分布特性的影响,并进行了超级电容器长条状电极的打印,检验其性能。为制备超级电容器三维石墨电极奠定了基础。
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