3D打印CCF/PA6復合材料：微觀孔隙對力學性能的影響

供稿人:張亞園、田小永
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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

本研究使用Mark Forged 公司生產的Mark Two桌面級臺式打印機，所使用的原材料是該公司所提供的CCF/PA6預浸料，涉及橫向拉伸、縱向拉伸、三點彎曲以及Ⅰ型層剪斷裂韌性四種力學性能，并將試樣進行熱壓處理來對比說明孔隙率對復合材料力學性能的影響。

圖1. 通過micro-CT觀察CCF/PA6復合材料的典型形貌：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)纖維增強樹脂基復合材料的內部分布著大量孔隙，且分布不均勻，孔隙率范圍在10.3%-14.3%之間，結果遠高于傳統(tǒng)方式制備的復合材料層合板。同時還可以發(fā)現(xiàn)，這種方法所制備的復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)纖維做急轉彎的情況下，這也是影響復合材料發(fā)揮優(yōu)異性能的重要因素之一。

為了量化孔隙對CCF/PA6復合材料力學性能的影響，采用熱壓方法對復合材料樣件進行后處理，圖2顯示了兩種情況下CCF/PA6復合材料的典型橫截面形貌。采用熱壓處理的復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，層與層之間結合更緊密，從而使得復合材料的整體孔隙率有所下降。

圖2. 通過micro-CT觀察CCF/PA6復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，本研究所制備的復合材料的力學性能普遍很高，并且，經過熱壓處理后的復合材料的力學性能得到進一步提升，同時應該注意到，虛線代表的是混合定律下復合材料的理論機械性能，所以可以看出，F(xiàn)DM工藝所制備的復合材料的力學性能遠不如那些可以使用混合定律評估的工藝所制備的復合材料。其余力學性能也有與縱向拉伸類似的結論。

圖3. 不同工藝下連續(xù)碳纖維增強樹脂基復合材料力學性能對比：a）拉伸強度b）拉伸模量

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

參考文獻：
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.