基于SLS制備的高性能碳纖維/尼龍/樹脂三元復(fù)合材料新方法

供稿人:陳銳光、連芩

熱固性短纖維增強(qiáng)聚合物（SFRP）復(fù)合材料具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、剛性和耐腐蝕性，是非常有前景的輕質(zhì)材料，已廣泛用于軍事，汽車和航空航天工業(yè)等領(lǐng)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(jìn)行壓塑和注塑，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品精度良好，但制備周期長，生產(chǎn)成本高，還難以制造形狀復(fù)雜的零件。

華中科技大學(xué)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(huán)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(fù)合材料具有三維連續(xù)碳纖維/尼龍（PA12）/樹脂（EP）三元結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出比大多數(shù)已報道的SLS材料更高的拉伸和彎曲強(qiáng)度。

圖1. 碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的生產(chǎn)流程

其制備過程如圖1。第一步，將碳纖維（CF）經(jīng)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(fù)合粉末；第二步，采用SLS工藝進(jìn)行打印：PA12在激光的高溫下熔化，起到粘結(jié)劑的作用，使CF相互連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，打印出多孔預(yù)制體；第三步，在高溫負(fù)壓條件下，用高性能環(huán)氧樹脂（EP）浸潤預(yù)制件；最后，對復(fù)合材料進(jìn)行固化，制備出CF/PA12/EP三元復(fù)合材料。

圖2. CF/PA12/EP三元復(fù)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(jīng)SLS工藝處理后，PA12聚合物粘結(jié)劑已完全熔化，將CF連接形成多孔結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)液體環(huán)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(qiáng)體相互滲透，形成三維連續(xù)結(jié)構(gòu)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(jié)劑將離散的CF連接成多孔CF預(yù)制件；(2)作為中間層，增加CF與EP基體之間的化學(xué)相互作用和潤濕性。復(fù)合粉末中粘結(jié)劑PA12的相對含量決定了SLS素坯的初始強(qiáng)度和孔隙率。粘結(jié)劑越多，素坯的強(qiáng)度越高，孔隙率越低，滲透到復(fù)合材料中的環(huán)氧樹脂的量越少。研究表明，在足夠強(qiáng)度后處理的前提下，使孔隙率最大化的PA12最優(yōu)含量為25Vol%。

表1. CF/PA12/EP三元復(fù)合材料與其他幾種SLS制備的聚合物基復(fù)合材料的性能對比

表1顯示，該方法制備的三元復(fù)合材料具有比其他幾種SLS制備的聚合物基復(fù)合材料更高的拉伸和彎曲強(qiáng)度，分別達(dá)到101.03MPa和153.43MPa。

圖3.三元復(fù)合材料的拉伸斷裂面，放大倍數(shù)為（a）500×，（b）2000×
由圖3.a可見，復(fù)合材料表現(xiàn)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(tài)。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(kuò)展被類似CF / PA12富集域阻擋并被迫改變軌跡，提高了復(fù)合材料的斷裂韌性和強(qiáng)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(jī)制。對比其他幾種SLS制備的聚合物基復(fù)合材料更高的拉伸和彎曲強(qiáng)度可歸因于：（1）CF的均勻分布；（2）由機(jī)械聯(lián)鎖和化學(xué)相互作用引起的CF和EP之間良好的界面結(jié)合，如圖3.b。人造肉在線http://www.renzaofood.com提示，復(fù)合材料的生產(chǎn)很有前景，但是技術(shù)難度不小。

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.

供稿人:陳銳光、連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室