熱固性（xìng）短纖維增強聚合物（SFRP）複合材料具（jù）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（cái）料，已廣泛用於軍事，汽車和航空（kōng）航天工業等領域。目前，主要製備方法為使用片狀模塑料（SMC）和塊狀模塑料（BMC）為原料（liào）進行壓塑和注塑（sù），生產效率高，產品精度良好（hǎo），但製備周期長（zhǎng），生產成本高（gāo），還難以製造（zào）形狀複雜的零件。
華中科技大學快速製造中心首次提出了基於粉床激光增材製造（SLS）的碳纖維/環氧熱固性樹脂的（de）製備成形一體化工藝，能夠克服上述缺（quē）點，製備的複合材料具有三維連續碳纖維/尼龍（lóng）（PA12）/樹脂（EP）三元結構（gòu），並（bìng）表現出比（bǐ）大多數已報道的SLS材料（liào）更高的拉伸和彎曲（qǔ）強度。
圖（tú）1. 碳纖維增（zēng）強熱固性複合材料的生產流程
其製備（bèi）過程如圖1。第（dì）一（yī）步，將碳纖維（CF）經表麵處理後與PA12混合攪拌，使CF表麵塗覆一層薄薄的PA12，得到用於SLS的PA12/CF複合粉末；第二步，采用SLS工藝進行（háng）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（jiē），形成網狀結構，打印出多孔預製體；第三步（bù），在高溫負壓條件下，用高性能環氧樹脂（EP）浸潤預製件；最（zuì）後，對複合材料進行固化（huà），製（zhì）備（bèi）出CF/PA12/EP三元複合材料。
圖2. CF/PA12/EP三（sān）元複合材料素坯（pī）表麵(a,b)和樹脂填充後截麵(c,d)的SEM圖像
從圖2.a,b可以看出，經SLS工藝處理後，PA12聚合物粘（zhān）結劑已完全熔化，將CF連接形成多孔結構，便於後續液體環氧樹脂的滲透填充。如圖2.c,d所（suǒ）示，填充（chōng）後，EP基體與CF增強體相互（hù）滲（shèn）透，形成三（sān）維連續結構分散。其中，CF表麵的PA12聚合物薄塗層有兩（liǎng）個作（zuò）用：(1)在SLS過（guò）程中，在激光照射下，作為粘結（jié）劑將離散的CF連接成多孔CF預製件（jiàn）；(2)作（zuò）為中間層，增加CF與EP基體之間的（de）化（huà）學相互作用和（hé）潤濕性。複合粉末中（zhōng）粘結劑PA12的相對含量決定了（le）SLS素坯的初始（shǐ）強度和孔隙率（lǜ）。粘結劑越多，素坯的（de）強度（dù）越高，孔隙率（lǜ）越低，滲透到複合材料中的環氧樹脂的量越少。研究表明，在足夠強度後處理的前提下，使孔隙率最大化的（de）PA12最優含（hán）量為25Vol%。
表1顯示，該方法製備的三元複合材料具有比其他幾種SLS製（zhì）備的聚合物基複合材料更高的（de）拉伸和彎曲（qǔ）強度，分別達到101.03MPa和153.43MPa。
由圖3.a可見，複合材料（liào）表現出（chū）典（diǎn）型的脆（cuì）性破壞行為，斷裂表麵具有剪切變形的粗（cū）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（yù）阻擋（dǎng）並被迫改變軌（guǐ）跡，提高了複合材料的斷裂韌性和強（qiáng）度。在破壞表麵上可以觀察到纖維拉拔，界麵剝離和基體破壞這三種纖維破壞機製。對比其他幾種SLS製備的（de）聚合物基複合（hé）材料更高的拉伸和彎曲強度（dù）可歸因於（yú）：（1）CF的均勻分（fèn）布；（2）由機械聯鎖（suǒ）和化學相互作用引起（qǐ）的CF和EP之間良好的界麵結合，如（rú）圖3.b。
參考文獻（xiàn）： 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.
在線客服
