采用螺桿擠壓法合成高強度碳纖維增強尼龍6復合材料-公司動態-非凡士
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          采用螺桿擠壓法合成高強度碳纖維增強尼龍6復合材料

          2023-07-12

          高度通用的熔絲制造(FFF)可以按需制造碳纖維增強塑料(CFRP)的復雜結構,但FFF固有的低流量和相對較低的強度為大規模工業應用帶來了主要障礙。在這項工作中,通過將復合材料顆粒直接送入定制的螺桿擠出3D打印機,制造了高強度的PA6-CF復合部件,其CF含量高達35wt%。這項工作研究了CF含量對PA6-CF復合材料流變性能和力學性能的影響,力學試驗表明,CF顯著提高了3d打印復合材料的強度,獲得了最高169.9MPa的拉伸強度。  

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          打印樣件的制備過程如下圖1所示。將硅烷偶聯劑KH792溶液處理過的PA6球團送入臺式雙螺桿擠出機中,連續的CF絲束通過旋轉的雙螺桿直接拉入擠出機,以制備PA6-CF復合材料,如圖1a所示。制備的PA6-CF復合球團在80℃的除濕機中干燥6小時后,將完全干燥的顆粒送入定制的基于擠壓的3d打印系統,如圖1b所示。通過拉伸,彎曲和沖擊測試中評估了打印復合材料的機械性能,測試尺寸及標準如圖1c所示。  

          打印樣件的力學性能測試結果如圖2所示。PA6-25CF的抗拉強度達到169.7MPa,是純PA6強度(54.1MPa)的3.15倍,這種強度目前也是3D打印短碳纖維增強聚合物復合材料中最高的。PA6-25CF的最高楊氏模量達到6.9GPa。隨著CF含量的進一步增加,PA6-35CF的極限強度略有下降,為160.8MPa,如圖2a所示。與拉伸試驗類似,當CF含量為25wt%時,其抗彎強度和模量均達到最大值,分別為218.9MPa和14.14GPa,如圖2b所示。而復合材料的沖擊強度隨CF含量的增加而單調增加,PA6-35CF沖擊強度可達8.89kJ/m2(圖2c)。為了評估PA6高溫應用下的固有熱穩定性,對PA6-35CF復合材料的拉伸性能在高溫下進行了檢測,如圖2d所示,斷裂應力隨著溫度的升高而降低。盡管如此,3d打印的PA6-35CF在100℃下仍顯示優良的強度(68.5MPa),與PLA,ABS和PC在室溫下的強度相當。這一發現表明,3d打印的PA6-CF復合材料可能適用于各種高溫應用。  

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          用掃描電鏡(SEM)對拉伸斷裂試樣的截面進行了表征(圖3)。在PA6-15CF樣品(圖3a和d)中,幾乎所有的CF都很好地嵌入到聚合物基體中。在PA6-25CF(圖3b)中,觀測到明顯更多的CF和拉伸斷裂,PA6-25CF的普遍存在以及纖維在拉伸作用下斷裂的增加最終導致了PA6-25CF試件的強度和模量的增加。進一步增加CF含量到PA6-35CF(圖3c)時,拉出空洞常被擴大的空洞所取代,且CF表面看起來光滑和干凈,表明CF與PA6基體浸漬較差。PA6-35CF試件中未浸漬CF的承載能力下降可能是其抗拉強度低于PA6-25CF的部分原因。微觀結構表征和力學性能都表明,當CF含量在25wt%左右時,會產生強化飽和效應,其中由較高CF含量提供的力學改善并不能補償與內部缺陷相關的結構弱化效應(如較高的孔隙率和較差的浸漬率)。  

          在本研究中,使用螺旋擠壓3D打印機對高強度PA6-CF復合材料樣件進行了制備。結果表明,通過長且均勻分布的CF短纖維增加,可以制備具有相當高抗拉強度的復合材料,最大抗拉強度達到169.7MPa。該研究表明,利用螺桿擠壓方法打印高性能PA6-CF元件具有廣闊的潛力,這項研究也為優化印刷工藝和開發新的復合原料提供了廣闊的機會。  

          參考文獻:  

          LiX.,HeJ.,HuZ.,etal.Highstrengthcarbon-fiberreinforcedpolyamide6compositesadditivelymanufacturedbyscrew-basedextrusion[J].Compositesscienceandtechnology,2022,229.


          end

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