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连续碳纤维增强聚苯硫醚复合材料在3D打印中的表现

2022-11-21 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

3D打印技术

   3D打印技术也称为增材制造技术,高度融合了材料科学、制造技术和信息技术等领域的知识。

长期以来,热塑性聚合物的3D打印典型材料是聚乳酸(PLA)和ABS,因为它们具有优异的可加工性。为了提高3D打印制品的力学性能,3D打印的热塑性聚合物耗材向着高性能 化的方向发展,典型的材料有聚苯硫醚(PPS) 和聚醚醚酮(PEEK) ,但目前还未能无障碍地使用。当前的研究主要集中在调控打印的成型工艺来缓解制品的翘曲变形现象以及实现力学性能的优化。然而,纯树脂的3D打印常常只是作为快速原型技术,这是因为纯树脂的3D打印制品力学性能较差,无法作为主承力件或结构件来使用。

为了提高3D打印制品的力学性能,人们近年来开发了连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印技术。

本次主要介绍碳纤维增强3D打印材料的技术:该方法需提前制备好预浸丝材,然后直接打印预浸丝材,该方式可以有效增强树脂对纤维的浸渍效果。但预浸丝材的制备往往需要专门的浸渍模具,生产成本较高,预浸丝材较难获得,因此对于该方式的研究报道相对较少,技术尚未成熟。

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碳纤维预浸丝

预浸丝材3D打印过程

在预浸丝材3D打印过程中,预浸丝材被碾压成具有-定线宽和由于预浸丝材的3D打印不同于纯树脂,预浸丝材的截面尺寸对于设计打印沉积空间尤为重厚度的打印线条,必须预留与之相适应的打印沉积空间才能保证打印线条顺利填充堆积.3D打印工艺稳定。根据预浸丝材截面尺寸初步选定打印沉积空间为0. 48 mm2,该沉积空间略大于预浸丝材的截面积0 .40 mm2,以减轻沉积过程中同一层内打印线条之间的干涉,保证打印过程顺利。

为保证沉积空间不变,在改变打印层厚的同时也需要改变打印间距,当打印层厚为0.2 mm时,层阿 剪切强度最高为34.25 MPa。

由于预浸丝材的3D打印不同于纯树脂,预浸丝材的截面尺寸对于设计打印沉积空间尤为重要。打印沉积空间的定义为打印层厚与打印间距的乘积,在预浸丝材3D打印过程中,预浸丝材被碾压成具有-定线宽和厚度的打印线条,必须预留与之相适应的打印沉积空间才能保证打印线条顺利填充堆积.3D打印工艺稳定。具体来说,当打印层厚为0 4 mm时,沉积线条被碾压程度较轻,理想状态下被碾压成厚度04 mm、宽度1.0mm 的扁平细条,此时0 .48 mm2的沉积空间即可保证打印的间距为1.2 mm,保证足够的空间以便打印线条顺利沉积。

打印材料微观结构

结合断面SEM照片考察了材料内部的层间界面和缺陷。低放大倍数的图片显示了打印制品层间以及打印线条与打印线条之间的界面缺陷,可以看到随着打印层厚降低,层间分层变得不明显,层间界面缺陷得到改善,这是层间剪切强度得以提高的原因。但同时,因为打印层厚降 低,打印间距增大,打印线条之间出现了层内明显的缝隙,尤其是当打印层厚为0.2 mm时,同层打印线条之间几乎 不存在重叠和搭接,说明尽管此时力学性能最好,仍有必要进一步优化。 当打印层厚为0.3 mm时,打印制品的弯由层强度最小,这可能是因为此时层间分层和同层打印线条之间的界面缺陷都比较显著,多重的缺陷严重降低了制品的大学性能。高放大倍数的图片显示了PPS树脂对碳纤维的浸渍效果,可以看到碳纤维在树脂基体中基本都实现了单丝级的均勻分布,浸渍效果非常优异,这是CCF/PPS预浸丝材3D打印相较于原位浸渍3D打印形式的独有优势。

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