连续纤维增强(CFRP)复合材料具有优异的力学性能,但3D打印CFRP复合材料依旧存在诸多问题,纤维集束性高,热塑性树脂粘度大,导致制备的CFRP复合材料孔隙率偏高,浸渍程度较低,已成为制约CFRP复合材料发展的主要问题。为降低3D打印连续纤维增强聚合物复合材料的孔隙率,提高树脂对纤维的浸渍程度,需要开展熔融浸渍连续纤维预浸丝制备与3D打印性能研究,开发纤维预浸渍一体化设备。
以玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强体,聚碳酸酯(PC)为基体,开发熔融浸渍预浸丝制备工艺,采用浸渍棍辅助制备CFRP预浸丝,分别研究浸渍工艺(浸渍温度,牵引速度,树脂挤出速率)对预浸丝性能的影响。并以在最优工艺下制备的预浸丝为作为3D打印的原材料,研究3D打印成形工艺参数(分层厚度,扫描间距,打印温度)对纤维含量、孔隙率以及力学性能的影响规律。并采用扫描电镜、工业CT和拉伸等测试对3D打印连续纤维增强聚碳酸酯复合材料性能进行研究。
当浸渍温度为270℃,牵引速度为300 mm/min,树脂挤出速率为3.0 r/min时,得到了浸渍程度较高的连续玻璃纤维增强聚碳酸酯(CGF/PC)预浸丝,预浸丝的拉伸强度为627.8 MPa,平均直径约为0.60 mm,通过电镜观察,预浸丝中树脂分布均匀,不存在明显的纤维富集区,因此为保证预浸丝整体性能较好,宜选择较小的牵引速率,较高的浸渍温度。当打印温度为260℃,分层厚度为0.10 mm,扫描间距为1.0 mm时,连续碳纤维增强聚碳酸酯(CCF/PC)复合材料纤维含量为28.66%,拉伸强度和模量分别644.8 MPa和85.6GPa,经过优化后,通过工业CT扫描及VG Studio MAX 3.0.2软件测的CCF/PC复合材料最低孔隙率为3.87%,并且CCF/PC复合材料大部分孔隙体积不超过0.38 mm,通过电镜图像可知,树脂与纤维界面结合强度较高。当打印温度为280℃,分层厚度为0.14 mm,扫描间距为1.2 mm时,连续玻璃纤维增强聚碳酸酯(CGF/PC)复合材料纤维含量为51.35%,拉伸强度和模量分别为381.4 MPa和23.6 GPa,优化后孔隙率为4.41%,CGF/PC复合材料平均孔隙体积为0.46 mm。对于CCF/PC,CGF/PC而言,扫描间距对CFRP孔隙率的影响较大,并且大部分孔隙位于沉积线之间。为了保证CFRP复合材料有良好的界面性能,较低的孔隙率,可以选择较小的分层厚度与扫描间距,相对较高的打印温度。
相比于原位浸渍,通过熔融浸渍的方法制备连续纤维增强预浸丝,可以提高浸渍压力,在高压的环境下更容易使熔融状态下的树脂浸入纤维当中,改善浸渍界面结合性能,因此制备的复合材料性能更好。但通过电镜观察,依旧存在树脂与纤维结合界面较差区域,且复合材料纤维含量过低,纤维复合材料孔隙率较高,需要进一步研究。另外,在3D打印连续纤维增强热塑性树脂研究领域中,所使用的树脂单一,大多为成熟树脂材料,急需要拓宽材料体系,进一步推动CFRP复合材料向高性能、工业化发展。
连续纤维增强热塑性复合材料具有强度高、可设计性强和抗冲击等优点,成为当下研究的热点。但由于热塑性树脂黏度大,成形过程中的压力小,导致复合材料孔隙率偏大,力学性能不佳。
本文通过熔融浸渍制备连续纤维增强聚碳酸酯预浸丝,相比于原位浸渍,解决了打印过程中树脂浸入纤维束阻力大,复合材料孔隙率偏高的问题,探究了熔融浸渍工艺对预浸丝性能的影响,分析了工艺参数、纤维含量和孔隙率三者之间的关系。碳纤维和玻璃纤维表面涂有热塑性上浆剂,能加速树脂与纤维界面结合。因此,制备的连续碳纤维和玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料拉伸强度分别为644.8 MPa和381.4 MPa,复合材料内部孔隙明显减少。
为降低3D打印连续纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的孔隙率,提高树脂对纤维的浸渍程度,需要开展熔融浸渍连续纤维预浸丝制备与3D打印性能研究,开发纤维预浸渍一体化设备。本文以玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强体,聚碳酸酯(PC)为基体,开发熔融浸渍预浸丝制备工艺,研究浸渍工艺对预浸丝性能的影响。以预浸丝为原料,研究3D打印成形工艺参数对纤维含量、孔隙率及力学性能的影响规律。结果表明:连续玻璃纤维增强聚碳酸酯(CGF/PC)预浸丝的拉伸强度为627.8 MPa,当打印温度为260℃,分层厚度为0.10 mm,扫描间距为1.0 mm时,连续碳纤维增强聚碳酸酯(CCF/PC)复合材料纤维含量为28.66vol%,拉伸强度和模量分别644.8 MPa和85.6 GPa,优化后孔隙率为3.87%。当打印温度为280℃,分层厚度为0.14 mm,扫描间距为1.2 mm时,CGF/PC复合材料纤维含量为51.35vol%,拉伸强度和模量分别为381.4 MPa和23.6 GPa,优化后孔隙率为4.41%。
连续碳纤维增强聚醚醚酮(CCF/PEEK)复合材料作为一种高性能热塑性复合材料,与传统的碳纤维增强热固性复合材料相比,具有良好的热稳定性、抗冲击性、短固化周期以及可二次成形等的优势。但由于内部缺陷、纤维的不良浸渍以及层间结合性能等原因,目前基于熔融沉积工艺制造的CFRP复合材料的机械性能和成型质量仍然不符合预期。本文利用同步辐射X射线计算机断层扫描技术,分析材料的缺陷演化和失效机制。
碳纤维增强树脂基热塑性复合材料因其热成型性好、强度高、耐腐蚀性等优越性能,在航空航天等领域具有重要的研究价值。但由于纤维的不良浸渍、层间结合差等原因,连续碳纤维增强聚醚醚酮(CCF/PEEK)复合材料的成型质量和机械性能难以达到预期。因此,研究CCF/PEEK的失效机制和改善成型质量尤为重要。
本文将CCF/PEEK预浸丝与PEEK打印丝材在打印头内部混合,制备预浸丝CCF/PEEK试样,采用同步辐射μCT表征手段,通过半静态拉伸CT实验观测试样表面发生颈缩,同时在拉伸过程中纤维/树脂界面以及层间存在的初始缺陷,打印过程不同打印层存在的温度梯度,导致了层间的弱结合,后续拉伸过程中形成较厚的层间裂纹。不同于预浸渍试样,原丝试样断裂处有大量纤维连接,说明纤维在基体中并未完全张紧,部分纤维未能起到承载拉伸载荷的作用,结合力-位移曲线,其纤维在拉伸过程中倾向于依次断裂。预浸渍处理后试样中纤维和树脂结合更加紧密,缺陷平均体积降低2倍以上,平均拉伸强度提高17.21%(316.536 MPa),孔隙率降低56.6%(2.00%)。
预浸丝CCF/PEEK缺陷分布及演化过程
针对丝材预浸渍处理的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CCF/PEEK),采用同步辐射计算机断层扫描(μCT)表征手段,分析了拉伸/弯曲过程中碳纤维/树脂界面和层间的失效模式及机制,结合缺陷和拉伸力学性能分析,揭示了预浸渍处理对CCF/PEEK材料结构和力学性能的影响。研究结果表明:由于不良浸渍及层间温度梯度,预浸渍样品在纤维/树脂界面和层间均存在缺陷,并随拉伸/弯曲载荷作用演变为层间裂纹,原丝样品则发生纤维脱粘和拔出;预浸渍处理后试样平均拉伸强度提高17.21%,孔隙率降低56.6%,树脂充分渗入纤维丝束,明显改善了材料纤维/树脂界面结合和力学性能。
针对丝材预浸渍处理的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CCF/PEEK),采用同步辐射计算机断层扫描(μCT)表征手段,分析了拉伸/弯曲过程中碳纤维/树脂界面和层间的失效模式及机制,结合缺陷和拉伸力学性能分析,揭示了预浸渍处理对CCF/PEEK材料结构和力学性能的影响。研究结果表明:由于不良浸渍及层间温度梯度,预浸渍样品在纤维/树脂界面和层间均存在缺陷,并随拉伸/弯曲载荷作用演变为层间裂纹,原丝样品则发生纤维脱粘和拔出;预浸渍处理后试样平均拉伸强度提高17.21%,孔隙率降低56.6%,树脂充分渗入纤维丝束,明显改善了材料纤维/树脂界面结合和力学性能。