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基于SLS的碳纖維/尼龍/樹脂三元復合材料新方法

來源:納金網 瀏覽數:
責任編輯:傳說的落葉
時間:2019-05-20 08:08

[導讀]基于SLS制備的高性能碳纖維/尼龍/樹脂三元復合材料新方法

供稿人:陳銳光、連芩  via南極熊

熱固性短纖維增強聚合物(SFRP)復合材料具有優秀的熱穩定性、尺寸穩定性、剛性和耐腐蝕性,是非常有前景的輕質材料,已廣泛用于軍事,汽車和航空航天工業等領域。目前,主要制備方法為使用片狀模塑料(SMC)和塊狀模塑料(BMC)為原料進行壓塑和注塑,生產效率高,產品精度良好,但制備周期長,生產成本高,還難以制造形狀復雜的零件。

華中科技大學快速制造中心首次提出了基于粉床激光增材制造(SLS)的碳纖維/環氧熱固性樹脂的制備成形一體化工藝,能夠克服上述缺點,制備的復合材料具有三維連續碳纖維/尼龍(PA12)/樹脂(EP)三元結構,并表現出比大多數已報道的SLS材料更高的拉伸和彎曲強度。
 
圖1. 碳纖維增強熱固性復合材料的生產流程
其制備過程如圖1。第一步,將碳纖維(CF)經表面處理后與PA12混合攪拌,使CF表面涂覆一層薄薄的PA12,得到用于SLS的PA12/CF復合粉末;第二步,采用SLS工藝進行打印:PA12在激光的高溫下熔化,起到粘結劑的作用,使CF相互連接,形成網狀結構,打印出多孔預制體;第三步,在高溫負壓條件下,用高性能環氧樹脂(EP)浸潤預制件;最后,對復合材料進行固化,制備出CF/PA12/EP三元復合材料。
 
圖2. CF/PA12/EP三元復合材料素坯表面(a,b)和樹脂填充后截面(c,d)的SEM圖像
從圖2.a,b可以看出,經SLS工藝處理后,PA12聚合物粘結劑已完全熔化,將CF連接形成多孔結構,便于后續液體環氧樹脂的滲透填充。如圖2.c,d所示,填充后,EP基體與CF增強體相互滲透,形成三維連續結構分散。其中,CF表面的PA12聚合物薄涂層有兩個作用:(1)在SLS過程中,在激光照射下,作為粘結劑將離散的CF連接成多孔CF預制件;(2)作為中間層,增加CF與EP基體之間的化學相互作用和潤濕性。復合粉末中粘結劑PA12的相對含量決定了SLS素坯的初始強度和孔隙率。粘結劑越多,素坯的強度越高,孔隙率越低,滲透到復合材料中的環氧樹脂的量越少。研究表明,在足夠強度后處理的前提下,使孔隙率最大化的PA12最優含量為25Vol%。

表1. CF/PA12/EP三元復合材料與其他幾種SLS制備的聚合物基復合材料的性能對比
 
表1顯示,該方法制備的三元復合材料具有比其他幾種SLS制備的聚合物基復合材料更高的拉伸和彎曲強度,分別達到101.03MPa和153.43MPa。
 
圖3.三元復合材料的拉伸斷裂面,放大倍數為(a)500×,(b)2000×
由圖3.a可見,復合材料表現出典型的脆性破壞行為,斷裂表面具有剪切變形的粗糙形態。EP基體的變形和裂縫在不同方向上傳播(如箭頭所指),裂縫擴展被類似CF / PA12富集域阻擋并被迫改變軌跡,提高了復合材料的斷裂韌性和強度。在破壞表面上可以觀察到纖維拉拔,界面剝離和基體破壞這三種纖維破壞機制。對比其他幾種SLS制備的聚合物基復合材料更高的拉伸和彎曲強度可歸因于:(1)CF的均勻分布;(2)由機械聯鎖和化學相互作用引起的CF和EP之間良好的界面結合,如圖3.b。

參考文獻:
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:陳銳光、連芩 供稿單位:機械制造系統工程國家重點實驗室
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