基于3D打印技术制备CF-PLA纤维及性能研究.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月基于 打印技术制备 纤维及性能研究夏法锋 张红哲 李 洋(.东北石油大学机械科学与工程学院 黑龙江 大庆 .东北农业大学工程学院 黑龙江 哈尔滨.大庆油田有限责任公司第二采油厂第九作业区 黑龙江 大庆)摘要:本文采用三维()打印技术将碳纤维聚乳酸复合材料()拉成纤维状 使 纤维中的短切碳纤维呈现定向排列 从而增强 纤维的力学性能 利用电子万能试验机对 纤维的力学性能进行分析 并通过扫描电子显微镜观察 纤维的微观表面形貌 试验结果表明 当打印头回抽速率为 /时 制备的 纤维连续且均匀 通过控制打印头移动速率 制备不同直径()的 纤维 随着打印头移动速率的增加 制备的 纤维直径尺寸呈现逐渐减小的趋势 当 纤维直径为 时 其拉伸强度()和杨氏模量()均最大 此外 本文将 纤维应用到层压板中 并研究了 纤维体积分数对层压板力学性能的影响 研究发现 纤维体积分数为 层压板的拉伸强度是 纤维体积分数为 层压板的 倍左右 其杨氏模量是 纤维体积分数为层压板的 倍左右关键词:三维打印 碳纤维 聚乳酸 力学性能中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():(.):()()./.:打印技术是一种通过逐层打印将丝状、粉末或液态材料制备成复杂形状的快速成型技术 打印技术包含光固化()、熔融沉积()、选择性激光烧结()和选择性激光融化()等多种成型方式 随着 的快速发展 制品对热塑性材料的强度要求也越来越高 为了提高热塑性材料的强度 相关学者通过在热塑性材料内添加短切碳纤维 以改善热塑性材料的力学性能 短切碳纤维内的石墨微晶结构沿纤维轴择优取向 所以其沿纤维轴方向具有较高的拉伸强度和杨氏模量国家自然科学基金()通信作者:张红哲 男 年生 硕士研究生 研究方向为 打印复合材料 作者简介:夏法锋 男 年生 博士 教授 研究方向为增材制造技术第 卷第 期夏法锋 等:基于 打印技术制备 纤维及性能研究将短切碳纤维与聚乳酸()共混 制成碳纤维聚乳酸复合材料()在实际应用中 通过熔融沉积的方式 将 经过逐层叠加制成具有轻质量、高拉伸强度等性能的层压板 材料制备的层压板被广泛应用在飞行器结构设计中在满足结构强度的同时减轻飞行器的整体质量 拉伸强度相比于 得到增强 但是短切碳纤维在 内部呈无序排列 导致短切碳纤维的最佳受力方向与拉伸方向不完全一致 因此 将 拉制成纤维状 使 纤维中的短切碳纤维沿 纤维轴向呈定向排列 对于进一步增强 的力学性能具有重要的意义本文采用 打印技术拉丝制备 纤维研究在拉丝过程中 打印头移动速率和打印头回抽速率对 纤维直径尺寸的影响 从而确定制备出力学性能最优的 纤维的工艺参数 利用电子万能试验机测量 纤维的拉伸强度与杨氏模量 并通过扫描电子显微镜对 纤维表面形貌进行分析 本文还将 纤维打印到层压板中研究 纤维体积分数对层压板力学性能的影响 实验部分 实验材料 线材:()上海诺磊自动化设备有限公司 仪器与设备电子万能试验机:济南文腾试验仪器有限 公 司 形 貌 显 微 镜:日 本(浩视)公司 扫描电子显微镜():北京源海威科技有限公司 熔融沉积式 打印机:珠海市杜芬自动化科技有限公司 测试与表征扫描电子显微镜分析:使用 对 纤维和常规打印线断面形貌进行观察 首先对 纤维和常规打印线进行液氮脆断 喷金处理后再用 观察 纤维和常规打印线的断面形貌力学性能测试:依据 使用电子万能试验机测定 纤维和层压板的力学性能实验参数如下:夹具初始距离为 夹具拉伸速率为 /形貌观察:使用超景深三维显微镜观察放大倍数为 倍的 纤维外观 并测量其直径尺寸 纤维的制备采用 打印机拉丝制备 纤维 其制备过程如图 所示 其中 打印机参数设置为:打印头出口直径为 、打印头温度为 、打印平台温度为 、打印头给料速率为/由图 可知 纤维制备过程主要包括常规打印、回抽和拉丝打印三个阶段 其中常规打印阶段打印出的常规打印线尺寸宽为、高为 但拉丝打印阶段打印出的 纤维直径尺寸由打印头给料速率和打印头移动速率决定图 纤维制备过程 根据体积守恒定律可知 纤维的直径与打印头移动速率和打印头给料速率关系式如下:()式中 纤维的直径 打印头给料速率/打印头移动速率/另外 纤维的体积公式为:()式中 纤维的体积 结果与讨论 回抽速率对 纤维均匀性的影响图 为不同打印头回抽速率拉丝制备的 纤维 打印头回抽速率对 纤维直径均匀性具有较大的影响 在打印头移动速率为 /时本实验将打印头回抽速率分别设定为、和/当打印头回抽速率为 /时 纤维断裂无法进行拉丝打印 当打印头回抽速率为 /时 纤维的直径沿轴向方向均匀一致 当打印头回抽速率为 /时 纤维的直径沿轴向方向逐渐变小 并产生锥形 纤维 产生上述现象的主要原因是 在常规打印过程中 由于 具有黏弹性 在打印头挤出压力的作用下 产生弹性形变 使其内部形成内应力在拉丝打印过程中 当打印头回抽速率为 /时 打印头施加的回抽拉力过大 将 纤维拉断 进而无法进行拉丝打印 当打印头回抽速率为 塑 料 工 业 年/时 内部存在内应力 随着打印头的移动 内应力逐渐释放 形成了锥形 纤维 然而 当打印头回抽速率为 /时打印头施加的回抽拉力将 的内应力完全去除 进而可制备出直径均匀的 纤维打印头回抽速率为 /打印头回抽速率为 /打印头回抽速率为 /图 不同回抽速率下制备的 纤维 打印头移动速率对 纤维直径的影响在打印头回抽速率为 /时 采用不同打印头移动速率制备 纤维 然后 测量 纤维直径 测量结果如图 所示 由图 可知 当打印头移动速率设定为 /时 可制备出直径范围为 的 纤维 随着打印头移动速率的增加 纤维的直径呈现减小趋势 这是由于当给料速率一定时 单位时间内打印头挤出的 纤维体积一定 由公式 可知 随着打印头移动速率的增加 纤维的直径逐渐变小图 打印头移动速率对 纤维直径的影响 图 为不同打印头移动速率下 纤维的光学形貌显微图 打印头回抽速率为 /由图 可知 当打印头移动速率为 /时 纤维较粗且表面存在凹坑 其直径为 由图 可知 当打印头移动速率为 /时 纤维表面存在凸起 其直径为 由图 可看出 当打印头移动速率为 /时 纤维直径均匀且表面平整 其直径为 由图 可知 当打印头移动速率为 /时 纤维直径均匀性较差 且短切碳纤维团聚现象严重 其直径为 产生上述现象的主要原因是 随着打印头移动速率逐渐增加 纤维内的短切碳纤维趋于定向排列 当打印头移动速率为 /和/时 纤维内的短切碳纤维分布不均匀使得 纤维表面出现凹坑和凸起 当打印头移动速率为 /时 纤维内的短切碳纤维趋于定向排列 从而使得 纤维表面平整 在拉丝制备 纤维的过程中 随着 纤维直径逐渐减小 其冷却速度逐渐加快 使得 具有较差的流动性 当打印头移动速率为 /时 制备的 纤维具有较小的圆形横截面 且 的流动性较差 因此 短切碳纤维无法均匀分布在 纤维内 进而产生短切碳纤维团聚现象打印头移动速率为/打印头移动速率为/打印头移动速率为/打印头移动速率为/图 不同打印头移动速率制备的 纤维 第 卷第 期夏法锋 等:基于 打印技术制备 纤维及性能研究 表面形貌分析图 为常规打印线和 纤维的横截面微观形貌 由图 可知 在常规打印阶段制备的常规打印线中 短切碳纤维呈无序排列 大部分短切碳纤维斜插入常规打印线中 且分布较为集中 由图 可以看出 在拉丝打印阶段制备的 纤维中 短切碳纤维沿 纤维轴向有序排列 这是由于在打印头的快速移动过程中 内部形成沿打印方向的剪切应力 在常规打印线制备过程中 由于打印头移动速率较低 内部产生的剪切应力较小 在剪切应力的作用下 短切碳纤维沿打印方向转动的角度较小 使其轴线与 纤维轴线相交 然而 在 纤维制备过程中 打印头的移动速率较高 所产生的剪切应力较大 因此 在较大的剪切应力作用下 短切碳纤维沿打印方向转动 使其轴线与 纤维轴线平行常规打印线断面形貌 纤维断面形貌图 常规打印线和 纤维的微观形貌 不同直径 纤维的力学性能分析图 为不同直径下 纤维的拉伸强度和杨氏模量 由图 可知 随着 纤维直径增加其拉伸强度和杨氏模量均呈现上升趋势 当 纤维直径为 时 其拉伸强度和杨氏模量均达到最大值 其值分别为 和 然而当 纤维直径大于 时 其拉伸强度和杨氏模量均呈现下降趋势 这是因为随着 纤维直径逐渐减小 其内沿轴向定向排列的短切碳纤维数量逐渐增多 当 纤维受拉伸力作用时 大量的短切碳纤维沿轴向承担拉伸力 进而增强 纤维的力学性能 当 纤维直径小于 时 随着 纤维直径的减小 纤维的拉伸强度与杨氏模量急剧下降 主要是由于 纤维中的短切碳纤维出现团聚 部分区域为纯 基体 使 纤维的力学性能急剧下降图 不同直径 纤维的拉伸强度和杨氏模量 纤维体积分数对层压板性能影响层压板是由常规打印线逐层堆叠而成 常规打印线之间的相融界面结合强度较低 使层压板沿常规打印线径向的力学性能较差 层压板实物图如图 所示 因此 本文将 纤维打印到层压板中 以增强层压板沿常规打印线径向的力学性能 在制备 纤维增强层压板的过程中 沿常规打印线径向在每个打印层之间打印 直径的 纤维 且每层 纤维的体积分数相同 采用 打印机制备的 纤维增强层压板的尺寸为 其实物如图 所示普通层压板 纤维增强层压板图 普通层压板和 纤维增强层压板实物图 图 为不同 纤维体积分数(、)的层压板沿常规打印线径向的拉伸强度和杨氏模量图 从图 中可以看出 当 纤维体积分数小于 时 纤维增强层压板的拉伸强度和杨氏模量均呈现上升趋势 当 纤维体积分数为 时(即 纤维增强层压板)纤维增强层压板的拉伸强度和杨氏模量均为最大 其值分别为 和 当 纤维体积分数为 时(即普通层压板)普通层压板的拉伸强度和杨氏模量均较小 其值分别 和 在相同的试验条件下 纤维增强层压板的拉伸强度是普通层压板的 倍左右塑 料 工 业 年 其杨氏模量是普通层压板的 倍左右 当 纤维体积分数大于 时 纤维增强层压板的拉伸强度和杨氏模量均呈现下降趋势 这是由于 纤维增强层压板的拉伸强度和杨氏模量取决于 纤维在层压板中的数量 纤维在层压板中的数量越多 其强化作用越强 随着 纤维数量的不断增加 纤维增强层压板沿常规打印线径向的拉伸强度和杨氏模量也随之增强 当 纤维体积分数为 时 纤维之间的距离较小 在打印 纤维的过程中打印头移动会造成相邻 纤维的断裂 如图 所示 纤维的断裂使 纤维增强层压板中 纤维数量减少 进而导致层压板沿常规打印线径向的拉伸强度和杨氏模量显著下降图 不同体积分数层压板拉伸强度和杨氏模量 图 纤维断裂实物图 结论)采用 打印技术 将 复合材料拉丝制备成 纤维 纤维内部的短切碳纤维沿轴向呈定向排列 进而显著增强 纤维的力学性能)由常规打印阶段向拉丝打印阶段过渡时 当回抽速率为 /时 所制备的 纤维直径均匀性最好)通过控制打印头移动速率可制备出具有不同直径的 纤维 当 纤维直径为 其 拉 伸 强 度 和 杨 氏 模 量 最 大 为 和 )纤维本身具有较高的拉伸强度和杨氏模量 在 纤维增强层压板中具有强化层压板的作用 纤维增强层压板的拉伸强度是普通层压板的 倍左右 其杨氏模量是普通层压板的 倍左右参 考 文 献 谢一督 兰淑珍 杨松伟 等.打印短切碳纤维填充/复合材料及其性能研究.上海塑料 ():./.():.:.:.刘腾飞 田小永 朱伟军 等.连续碳纤维增强聚乳酸复合材料 打印及回收再利用机理与性能.机械工程学报 ():.():.罗锐祺 刘勇琼 廖英强 等.碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能影响因素的研究进展.材料导报 ():.():.:.孔德玉 韩旭 何烨 等.碳纤维微晶结构的形成与生长.高分子通报 ():.():.第 卷第 期夏法锋 等:基于 打印技术制备 纤维及性能研究 .:.:.管清宇 冯剑飞 夏品奇 等.复合材料层压板低速冲击行为及剩余拉伸强度.北京航空航天大学学报 ():.():.王晨蕾 胡浩 乔雯钰 等.打印碳纤维/聚酯复合材料的制备与研究.塑料工业 ():./.():.:.:.焦子剑 马世博 闫华军 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