3D打印CCF/PA6復(fù)合材料：微觀孔隙對(duì)力學(xué)性能的影響

供稿人:張亞園、田小永
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

連續(xù)纖維具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和剛度，采用熔融沉積成型(FDM)方法生產(chǎn)連續(xù)碳纖維復(fù)合材料解決了用相同工藝生產(chǎn)的純樹脂或短纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能較低的問題。然而，該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問題在于纖維之間存在微小孔隙，孔隙的存在嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。目前，澳大利亞悉尼大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開展了孔隙率對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的量化研究。

本研究使用Mark Forged 公司生產(chǎn)的Mark Two桌面級(jí)臺(tái)式打印機(jī)，所使用的原材料是該公司所提供的CCF/PA6預(yù)浸料，涉及橫向拉伸、縱向拉伸、三點(diǎn)彎曲以及Ⅰ型層剪斷裂韌性四種力學(xué)性能，并將試樣進(jìn)行熱壓處理來對(duì)比說明孔隙率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

圖1. 通過micro-CT觀察CCF/PA6復(fù)合材料的典型形貌：a）樣件的整體微觀形貌b）在某一處重建的橫截面內(nèi)部形貌

通過觀察圖1我們可以發(fā)現(xiàn)，基于FDM方式制備的連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的內(nèi)部分布著大量孔隙，且分布不均勻，孔隙率范圍在10.3%-14.3%之間，結(jié)果遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式制備的復(fù)合材料層合板。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，這種方法所制備的復(fù)合材料存在明顯的纖維起皺和折斷現(xiàn)象，尤其是在需要連續(xù)纖維做急轉(zhuǎn)彎的情況下，這也是影響復(fù)合材料發(fā)揮優(yōu)異性能的重要因素之一。

為了量化孔隙對(duì)CCF/PA6復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，采用熱壓方法對(duì)復(fù)合材料樣件進(jìn)行后處理，圖2顯示了兩種情況下CCF/PA6復(fù)合材料的典型橫截面形貌。采用熱壓處理的復(fù)合材料中孔隙明顯減少，孔隙率值從11%減少到3.4%。熱壓處理使得樣件厚度減小，層與層之間結(jié)合更緊密，從而使得復(fù)合材料的整體孔隙率有所下降。

圖2. 通過micro-CT觀察CCF/PA6復(fù)合材料的典型橫截面：a）未熱壓處理b）熱壓處理

以縱向拉伸性能為例，本研究所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能普遍很高，并且，經(jīng)過熱壓處理后的復(fù)合材料的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提升，同時(shí)應(yīng)該注意到，虛線代表的是混合定律下復(fù)合材料的理論機(jī)械性能，所以可以看出，F(xiàn)DM工藝所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如那些可以使用混合定律評(píng)估的工藝所制備的復(fù)合材料。其余力學(xué)性能也有與縱向拉伸類似的結(jié)論。

圖3. 不同工藝下連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比：a）拉伸強(qiáng)度b）拉伸模量

基于FDM的連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力，如何有效最小化微觀孔隙的形成，提高復(fù)合材料綜合力學(xué)性能，將FDM 3D打印技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到高性能復(fù)合材料的制備當(dāng)中去是當(dāng)下及未來的重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：
He Q, Wang H, Fu K, et al. 3D printed continuous CF/PA6 composites: Effect of microscopic voids on mechanical performance [J]. Composites Science and Technology. 2020, 191: 108077.