浙江大學(xué)：基于雙材料三維打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的自監(jiān)測

供稿人：張童童 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室

將碳基材料集成到聚合物中，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性，并發(fā)布有關(guān)損壞和惡化的早期預(yù)警。自感知復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了民用建筑、紡織工程和可穿戴設(shè)備或假肢。碳基材料中的連續(xù)碳纖維，其在力學(xué)方面也表現(xiàn)出很大的增強(qiáng)作用。但一般的熔融沉積技術(shù)（FDM）打印連續(xù)碳纖維通常只是為了增強(qiáng)力學(xué)性能，而忽略其電學(xué)性能的優(yōu)勢。

為了研究上述問題，浙江大學(xué)的Luan Congcong等提供了一種新穎的雙材料三維打印技術(shù)（圖1），將連續(xù)碳纖維整合到三維打印熱塑性結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固和自我監(jiān)控。研究和討論了不同填充密度試樣在拉伸和彎曲載荷作用下的力學(xué)和電學(xué)特性，樣件制備過程如圖2所示。

圖1 雙噴嘴3D打印機(jī)系統(tǒng)的示意圖

圖2將連續(xù)碳纖維傳感元件集成到3D打印熱塑性基體中的制造工藝方案

結(jié)果表明，連續(xù)碳纖維在熱塑性塑料中的集成有助于結(jié)構(gòu)加固和結(jié)構(gòu)健康通過原位監(jiān)測。與未整合的連續(xù)碳纖維試樣相比，拉伸強(qiáng)度提高了7.23%，拉伸模量提高了19.07%，彎曲強(qiáng)度提高了38.66%，彎曲模量提高了17.99%。通過改變碳纖維的電阻測量值，可以非常有效和敏感地檢測三維打印熱塑性結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和損傷。碳纖維與熱塑性基體的滲透程度如圖3所示�？梢钥闯鋈廴跓崴芑�體浸漬到大部分連續(xù)碳纖維中。但在某些地區(qū)仍存在浸漬不足的現(xiàn)象。孔隙率隨填充密度的增加而降低，這導(dǎo)致熱塑性基體與碳纖維束的接觸量隨著填充密度的增加而增加，更多的絕緣熱塑性材料被插入碳纖維細(xì)絲之間，導(dǎo)致電阻增加。

這種雙材料三維打印技術(shù)對于連續(xù)碳纖維熱塑性基體智能結(jié)構(gòu)的制備具有很大的吸引力，并具有許多潛在的民用和軍事應(yīng)用前景。

圖3 填充密度為40%的試樣的熱塑性基體對碳纖維的滲透

參考文獻(xiàn)：
Luan, C. , Yao, X. , Liu, C. , Lan, L. , & Fu, J. . (2018). Self-monitoring continuous carbon fiber reinforced thermoplastic based on dual-material three-dimensional printing integration process. Carbon, 140, 100-111.