連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料在3D打印中的表現(xiàn)

2022-11-21 來(lái)源：高分子物理學(xué)公眾號(hào)

3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)也稱為增材制造技術(shù)，高度融合了材料科學(xué)、制造技術(shù)和信息技術(shù)等領(lǐng)域的知識(shí)。

長(zhǎng)期以來(lái)，熱塑性聚合物的3D打印典型材料是聚乳酸（PLA）和ABS，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的可加工性。為了提高3D打印制品的力學(xué)性能，3D打印的熱塑性聚合物耗材向著高性能化的方向發(fā)展，典型的材料有聚苯硫醚(PPS) 和聚醚醚酮(PEEK) ，但目前還未能無(wú)障礙地使用。當(dāng)前的研究主要集中在調(diào)控打印的成型工藝來(lái)緩解制品的翹曲變形現(xiàn)象以及實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的優(yōu)化。然而，純樹脂的3D打印常常只是作為快速原型技術(shù)，這是因?yàn)榧儤渲?D打印制品力學(xué)性能較差，無(wú)法作為主承力件或結(jié)構(gòu)件來(lái)使用。

為了提高3D打印制品的力學(xué)性能，人們近年來(lái)開發(fā)了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的3D打印技術(shù)。

本次主要介紹碳纖維增強(qiáng)3D打印材料的技術(shù)：該方法需提前制備好預(yù)浸絲材，然后直接打印預(yù)浸絲材，該方式可以有效增強(qiáng)樹脂對(duì)纖維的浸漬效果。但預(yù)浸絲材的制備往往需要專門的浸漬模具,生產(chǎn)成本較高，預(yù)浸絲材較難獲得，因此對(duì)于該方式的研究報(bào)道相對(duì)較少,技術(shù)尚未成熟。

碳纖維預(yù)浸絲

預(yù)浸絲材3D打印過(guò)程

在預(yù)浸絲材3D打印過(guò)程中，預(yù)浸絲材被碾壓成具有-定線寬和由于預(yù)浸絲材的3D打印不同于純樹脂，預(yù)浸絲材的截面尺寸對(duì)于設(shè)計(jì)打印沉積空間尤為重厚度的打印線條,必須預(yù)留與之相適應(yīng)的打印沉積空間才能保證打印線條順利填充堆積.3D打印工藝穩(wěn)定。根據(jù)預(yù)浸絲材截面尺寸初步選定打印沉積空間為0. 48 mm2,該沉積空間略大于預(yù)浸絲材的截面積0 .40 mm2,以減輕沉積過(guò)程中同一層內(nèi)打印線條之間的干涉，保證打印過(guò)程順利。

為保證沉積空間不變，在改變打印層厚的同時(shí)也需要改變打印間距，當(dāng)打印層厚為0.2 mm時(shí)，層阿剪切強(qiáng)度最高為34.25 MPa。

由于預(yù)浸絲材的3D打印不同于純樹脂，預(yù)浸絲材的截面尺寸對(duì)于設(shè)計(jì)打印沉積空間尤為重要。打印沉積空間的定義為打印層厚與打印間距的乘積，在預(yù)浸絲材3D打印過(guò)程中，預(yù)浸絲材被碾壓成具有-定線寬和厚度的打印線條,必須預(yù)留與之相適應(yīng)的打印沉積空間才能保證打印線條順利填充堆積.3D打印工藝穩(wěn)定。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)打印層厚為0 4 mm時(shí)，沉積線條被碾壓程度較輕,理想狀態(tài)下被碾壓成厚度04 mm、寬度1.0mm 的扁平細(xì)條，此時(shí)0 .48 mm2的沉積空間即可保證打印的間距為1.2 mm,保證足夠的空間以便打印線條順利沉積。

打印材料微觀結(jié)構(gòu)

結(jié)合斷面SEM照片考察了材料內(nèi)部的層間界面和缺陷。低放大倍數(shù)的圖片顯示了打印制品層間以及打印線條與打印線條之間的界面缺陷，可以看到隨著打印層厚降低，層間分層變得不明顯，層間界面缺陷得到改善,這是層間剪切強(qiáng)度得以提高的原因。但同時(shí)，因?yàn)榇蛴雍窠?nbsp;低，打印間距增大,打印線條之間出現(xiàn)了層內(nèi)明顯的縫隙，尤其是當(dāng)打印層厚為0.2 mm時(shí)，同層打印線條之間幾乎不存在重疊和搭接,說(shuō)明盡管此時(shí)力學(xué)性能最好，仍有必要進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)打印層厚為0.3 mm時(shí)，打印制品的彎由層強(qiáng)度最小，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)層間分層和同層打印線條之間的界面缺陷都比較顯著，多重的缺陷嚴(yán)重降低了制品的大學(xué)性能。高放大倍數(shù)的圖片顯示了PPS樹脂對(duì)碳纖維的浸漬效果，可以看到碳纖維在樹脂基體中基本都實(shí)現(xiàn)了單絲級(jí)的均勻分布，浸漬效果非常優(yōu)異，這是CCF/PPS預(yù)浸絲材3D打印相較于原位浸漬3D打印形式的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。