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SLS技术3D打印高性能碳纤维/尼龙/树脂三元复合材料新方法

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发表于 2019-5-21 16:08:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
热固性短纤维增强聚合物复合材料具有优秀的热稳定性、尺寸稳定性、刚性和耐腐蚀性,是非常有前景的轻质材料,已广泛用于军事,汽车和航空航天工业等领域。目前,主要制备方法为使用片状模塑料和块状模塑料为原料进行压塑和注塑,生产效率高,产品精度良好,但制备周期长,生产成本高,还难以制造形状复杂的零件。
华中科技大学快速制造中心首次提出了基于粉床激光增材制造的碳纤维/环氧热固性树脂的制备成形一体化工艺,能够克服上述缺点,制备的复合材料具有三维连续碳纤维/尼龙/树脂三元结构,并表现出比大多数已报道的SLS材料更高的拉伸和弯曲强度。


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图1. 碳纤维增强热固性复合材料的生产流程

其制备过程如图1。第一步,将碳纤维经表面处理后与PA12混合搅拌,使CF表面涂覆一层薄薄的PA12,得到用于SLS的PA12/CF复合粉末;第二步,采用SLS工艺进行:PA12在激光的高温下熔化,起到粘结剂的作用,使CF相互连接,形成网状结构,出多孔预制体;第三步,在高温负压条件下,用高性能环氧树脂浸润预制件;最后,对复合材料进行固化,制备出CF/PA12/EP三元复合材料。


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图2. CF/PA12/EP三元复合材料素坯表面(a,b)和树脂填充后截面(c,d)的SEM图像

从图2.a,b可以看出,经SLS工艺处理后,PA12聚合物粘结剂已完全熔化,将CF连接形成多孔结构,便于后续液体环氧树脂的渗透填充。如图2.c,d所示,填充后,EP基体与CF增强体相互渗透,形成三维连续结构分散。其中,CF表面的PA12聚合物薄涂层有两个作用:(1)在SLS过程中,在激光照射下,作为粘结剂将离散的CF连接成多孔CF预制件;(2)作为中间层,增加CF与EP基体之间的化学相互作用和润湿性。复合粉末中粘结剂PA12的相对含量决定了SLS素坯的初始强度和孔隙率。粘结剂越多,素坯的强度越高,孔隙率越低,渗透到复合材料中的环氧树脂的量越少。研究表明,在足够强度后处理的前提下,使孔隙率最大化的PA12最优含量为25Vol%。
表1. CF/PA12/EP三元复合材料与其他几种SLS制备的聚合物基复合材料的性能对比

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表1显示,该方法制备的三元复合材料具有比其他几种SLS制备的聚合物基复合材料更高的拉伸和弯曲强度,分别达到101.03MPa和153.43MPa。


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图3.三元复合材料的拉伸断裂面,放大倍数为500×,2000×由图3.a可见,复合材料表现出典型的脆性破坏行为,断裂表面具有剪切变形的粗糙形态。EP基体的变形和裂缝在不同方向上传播,裂缝扩展被类似CF / PA12富集域阻挡并被迫改变轨迹,提高了复合材料的断裂韧性和强度。在破坏表面上可以观察到纤维拉拔,界面剥离和基体破坏这三种纤维破坏机制。对比其他几种SLS制备的聚合物基复合材料更高的拉伸和弯曲强度可归因于:CF的均匀分布;由机械联锁和化学相互作用引起的CF和EP之间良好的界面结合,如图3.b。
参考文献:
Zhu W , Yan C , Shi Y , et al. A novel method based on selective laser sintering for preparing high-performance carbon fibres/polyamide12/epoxy ternary composites[J]. Scientific Reports, 2016, 6:33780.
供稿人:陈锐光、连芩 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室
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