發(fā)布時間：2021-07-31 01:48

　　對連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（CFRTPCs）進行3D打印能夠實現無模具快速制造,擴展增材制造的實際應用。為進一步提高3D打印連續(xù)碳纖維增強復合材料制件的性能,采用熱塑性上漿劑對干碳纖維進行上漿處理,以尼龍6（PA6）為基體打印連續(xù)碳纖維增強復合材料,對比了上漿前后碳纖維表面性質及復合材料力學和界面性能。結果表明,上漿后碳纖維表面極性官能團增加,纖維與樹脂浸潤性改善;纖維表面粗糙度增加,纖維與樹脂的機械結合力增強;上漿后碳纖維增強PA6復合材料較原始碳纖維增強PA6復合材料層間剪切強度提高42. 2%,層間結合增強,彎曲強度提高了82%,彎曲模量提高2. 46倍; 3D打印的上漿后碳纖維增強PA6復合材料試樣斷面上有明顯纖維拔出現象,界面性能顯著改善。 

【文章來源】：中國材料進展. 2020,39(05)北大核心CSCD

【文章頁數】：8 頁

【部分圖文】：

3D打印CFRTPCs工藝原理圖[5]

現階段的研究主要集中在對3D打印工藝參數優(yōu)化方面。以3D打印連續(xù)碳纖維增強尼龍復合材料為例，可以通過對工藝參數如溫度、層厚、掃描間距的調控，獲得宏觀層面力學性能較高的制件。然而，從復合材料界面結構分析，影響3D打印復合材料構件力學性能的主要原因在于，碳纖維絲束內部并沒有與樹脂進行充分浸潤(如圖2)，形成了弱界面結合，使得復合材料的實際力學強度遠小于理論強度。碳纖維與樹脂的界面問題很難通過改變3D打印工藝參數來改善，采用熔融預浸工藝和3D打印技術制備的連續(xù)纖維復合材料界面和力學性能有所改善，但未解決界面結合的根本問題，且制備預浸絲工藝復雜、成本高，降低了3D打印復合材料技術優(yōu)勢。文獻調研表明，對碳纖維增強樹脂基復合材料界面改善主要通過碳纖維表面處理來實現[10]。碳纖維的表面處理方法大致可以歸結為涂層法、熱處理法、氧化法、接枝法、上漿法等[11,12]。上漿法具有碳纖維表面易于處理、環(huán)境限制小等優(yōu)勢而被廣泛采用。上漿劑可提高纖維的集束性，改善纖維表面的浸潤性能，縮短樹脂浸潤時間，同時也能起到類似偶聯劑作用，提高纖維與樹脂之間的化學與機械結合水平，在碳纖維與樹脂基體間形成良好的過渡界面區(qū)域，改善復合材料界面性能，使得碳纖維增強復合材料的綜合性能得到極大提高[13,14]。

目前商業(yè)化碳纖維材料表面涂覆熱固性環(huán)氧類上漿劑，這種環(huán)氧類上漿劑與3D打印所用熱塑性基體材料無法兼容，增強體與基體不能良好地結合在一起，在受力時碳纖維輕易地從樹脂基體上脫落。本研究采用一種乳液型上漿劑(型號Hydrosize PA845H，美國麥可門公司)，其主要成分是尼龍(PA845H)顆粒，與基體是同族物質，滿足化學層面的“相似相容”。采用日本東麗公司T300B碳纖維，其表面涂覆環(huán)氧類上漿劑。要解決碳纖維的上漿及后續(xù)與樹脂的界面結合，首先需要去除環(huán)氧類上漿劑，為后續(xù)碳纖維的上漿工藝做準備。丙酮是環(huán)氧類材料的良好溶劑，將原始碳纖維(VCF)在丙酮溶液充分浸泡48 h后，以去離子水清洗數次去除碳纖維表面殘留的丙酮。將清洗后的碳纖維放置在電鼓風干燥箱內恒溫100℃干燥2 h。最后在乳液型上漿劑中浸泡24 h，使碳纖維充分掛漿后在室溫下固化成型，得到3D打印專用上漿纖維(SCF)，其制備過程如圖3所示。采用陜西斐帛科技有限公司COMBT-1型連續(xù)纖維復合材料3D打印機，分別打印VCF和SCF增強PA6復合材料樣件，采用如表1所示的工藝參數，打印出纖維體積含量為15.8%的連續(xù)碳纖維/PA6復合材料力學性能測試標準件。2.2 性能表征

【參考文獻】：
期刊論文
[1]碳纖維水性雜化上漿劑的制備及其上漿后力學性能[J]. 劉賦瑤,董余兵,傅雅琴.  復合材料學報. 2017(10)
[2]高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印及其應用探索[J]. 田小永,劉騰飛,楊春成,李滌塵.  航空制造技術. 2016(15)
[3]連續(xù)纖維增強熱塑性高流動尼龍復合材料的制備與研究[J]. 張瑜,張偉,胡天輝,李旭武,張適齡,朱志勇,鄧如生,黃安民.  電力機車與城軌車輛. 2015(S1)
[4]國內碳纖維增強熱塑性復合材料研究進展[J]. 徐秋紅,譚臻,閆燁,劉麗慧,耿志,李云英.  工程塑料應用. 2014(07)

博士論文
[1]碳纖維表面和界面性能研究及評價[D]. 張煥俠.東華大學 2014



本文編號：3312524