面向3D打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响
发布时间：2021-07-31 01:48
对连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）进行3D打印能够实现无模具快速制造,扩展增材制造的实际应用。为进一步提高3D打印连续碳纤维增强复合材料制件的性能,采用热塑性上浆剂对干碳纤维进行上浆处理,以尼龙6（PA6）为基体打印连续碳纤维增强复合材料,对比了上浆前后碳纤维表面性质及复合材料力学和界面性能。结果表明,上浆后碳纤维表面极性官能团增加,纤维与树脂浸润性改善;纤维表面粗糙度增加,纤维与树脂的机械结合力增强;上浆后碳纤维增强PA6复合材料较原始碳纤维增强PA6复合材料层间剪切强度提高42. 2%,层间结合增强,弯曲强度提高了82%,弯曲模量提高2. 46倍; 3D打印的上浆后碳纤维增强PA6复合材料试样断面上有明显纤维拔出现象,界面性能显著改善。
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(05)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
3D打印CFRTPCs工艺原理图[5]
现阶段的研究主要集中在对3D打印工艺参数优化方面。以3D打印连续碳纤维增强尼龙复合材料为例，可以通过对工艺参数如温度、层厚、扫描间距的调控，获得宏观层面力学性能较高的制件。然而，从复合材料界面结构分析，影响3D打印复合材料构件力学性能的主要原因在于，碳纤维丝束内部并没有与树脂进行充分浸润(如图2)，形成了弱界面结合，使得复合材料的实际力学强度远小于理论强度。碳纤维与树脂的界面问题很难通过改变3D打印工艺参数来改善，采用熔融预浸工艺和3D打印技术制备的连续纤维复合材料界面和力学性能有所改善，但未解决界面结合的根本问题，且制备预浸丝工艺复杂、成本高，降低了3D打印复合材料技术优势。文献调研表明，对碳纤维增强树脂基复合材料界面改善主要通过碳纤维表面处理来实现[10]。碳纤维的表面处理方法大致可以归结为涂层法、热处理法、氧化法、接枝法、上浆法等[11,12]。上浆法具有碳纤维表面易于处理、环境限制小等优势而被广泛采用。上浆剂可提高纤维的集束性，改善纤维表面的浸润性能，缩短树脂浸润时间，同时也能起到类似偶联剂作用，提高纤维与树脂之间的化学与机械结合水平，在碳纤维与树脂基体间形成良好的过渡界面区域，改善复合材料界面性能，使得碳纤维增强复合材料的综合性能得到极大提高[13,14]。
目前商业化碳纤维材料表面涂覆热固性环氧类上浆剂，这种环氧类上浆剂与3D打印所用热塑性基体材料无法兼容，增强体与基体不能良好地结合在一起，在受力时碳纤维轻易地从树脂基体上脱落。本研究采用一种乳液型上浆剂(型号Hydrosize PA845H，美国麦可门公司)，其主要成分是尼龙(PA845H)颗粒，与基体是同族物质，满足化学层面的“相似相容”。采用日本东丽公司T300B碳纤维，其表面涂覆环氧类上浆剂。要解决碳纤维的上浆及后续与树脂的界面结合，首先需要去除环氧类上浆剂，为后续碳纤维的上浆工艺做准备。丙酮是环氧类材料的良好溶剂，将原始碳纤维(VCF)在丙酮溶液充分浸泡48 h后，以去离子水清洗数次去除碳纤维表面残留的丙酮。将清洗后的碳纤维放置在电鼓风干燥箱内恒温100℃干燥2 h。最后在乳液型上浆剂中浸泡24 h，使碳纤维充分挂浆后在室温下固化成型，得到3D打印专用上浆纤维(SCF)，其制备过程如图3所示。采用陕西斐帛科技有限公司COMBT-1型连续纤维复合材料3D打印机，分别打印VCF和SCF增强PA6复合材料样件，采用如表1所示的工艺参数，打印出纤维体积含量为15.8%的连续碳纤维/PA6复合材料力学性能测试标准件。2.2 性能表征
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维水性杂化上浆剂的制备及其上浆后力学性能[J]. 刘赋瑶,董余兵,傅雅琴. 复合材料学报. 2017(10)
[2]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索[J]. 田小永,刘腾飞,杨春成,李涤尘. 航空制造技术. 2016(15)
[3]连续纤维增强热塑性高流动尼龙复合材料的制备与研究[J]. 张瑜,张伟,胡天辉,李旭武,张适龄,朱志勇,邓如生,黄安民. 电力机车与城轨车辆. 2015(S1)
[4]国内碳纤维增强热塑性复合材料研究进展[J]. 徐秋红,谭臻,闫烨,刘丽慧,耿志,李云英. 工程塑料应用. 2014(07)
博士论文
[1]碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 张焕侠.东华大学 2014
本文编号：3312524
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(05)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
3D打印CFRTPCs工艺原理图[5]
现阶段的研究主要集中在对3D打印工艺参数优化方面。以3D打印连续碳纤维增强尼龙复合材料为例，可以通过对工艺参数如温度、层厚、扫描间距的调控，获得宏观层面力学性能较高的制件。然而，从复合材料界面结构分析，影响3D打印复合材料构件力学性能的主要原因在于，碳纤维丝束内部并没有与树脂进行充分浸润(如图2)，形成了弱界面结合，使得复合材料的实际力学强度远小于理论强度。碳纤维与树脂的界面问题很难通过改变3D打印工艺参数来改善，采用熔融预浸工艺和3D打印技术制备的连续纤维复合材料界面和力学性能有所改善，但未解决界面结合的根本问题，且制备预浸丝工艺复杂、成本高，降低了3D打印复合材料技术优势。文献调研表明，对碳纤维增强树脂基复合材料界面改善主要通过碳纤维表面处理来实现[10]。碳纤维的表面处理方法大致可以归结为涂层法、热处理法、氧化法、接枝法、上浆法等[11,12]。上浆法具有碳纤维表面易于处理、环境限制小等优势而被广泛采用。上浆剂可提高纤维的集束性，改善纤维表面的浸润性能，缩短树脂浸润时间，同时也能起到类似偶联剂作用，提高纤维与树脂之间的化学与机械结合水平，在碳纤维与树脂基体间形成良好的过渡界面区域，改善复合材料界面性能，使得碳纤维增强复合材料的综合性能得到极大提高[13,14]。
目前商业化碳纤维材料表面涂覆热固性环氧类上浆剂，这种环氧类上浆剂与3D打印所用热塑性基体材料无法兼容，增强体与基体不能良好地结合在一起，在受力时碳纤维轻易地从树脂基体上脱落。本研究采用一种乳液型上浆剂(型号Hydrosize PA845H，美国麦可门公司)，其主要成分是尼龙(PA845H)颗粒，与基体是同族物质，满足化学层面的“相似相容”。采用日本东丽公司T300B碳纤维，其表面涂覆环氧类上浆剂。要解决碳纤维的上浆及后续与树脂的界面结合，首先需要去除环氧类上浆剂，为后续碳纤维的上浆工艺做准备。丙酮是环氧类材料的良好溶剂，将原始碳纤维(VCF)在丙酮溶液充分浸泡48 h后，以去离子水清洗数次去除碳纤维表面残留的丙酮。将清洗后的碳纤维放置在电鼓风干燥箱内恒温100℃干燥2 h。最后在乳液型上浆剂中浸泡24 h，使碳纤维充分挂浆后在室温下固化成型，得到3D打印专用上浆纤维(SCF)，其制备过程如图3所示。采用陕西斐帛科技有限公司COMBT-1型连续纤维复合材料3D打印机，分别打印VCF和SCF增强PA6复合材料样件，采用如表1所示的工艺参数，打印出纤维体积含量为15.8%的连续碳纤维/PA6复合材料力学性能测试标准件。2.2 性能表征
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维水性杂化上浆剂的制备及其上浆后力学性能[J]. 刘赋瑶,董余兵,傅雅琴. 复合材料学报. 2017(10)
[2]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索[J]. 田小永,刘腾飞,杨春成,李涤尘. 航空制造技术. 2016(15)
[3]连续纤维增强热塑性高流动尼龙复合材料的制备与研究[J]. 张瑜,张伟,胡天辉,李旭武,张适龄,朱志勇,邓如生,黄安民. 电力机车与城轨车辆. 2015(S1)
[4]国内碳纤维增强热塑性复合材料研究进展[J]. 徐秋红,谭臻,闫烨,刘丽慧,耿志,李云英. 工程塑料应用. 2014(07)
博士论文
[1]碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 张焕侠.东华大学 2014
本文编号：3312524
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3312524.html
