3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料機(jī)械性能研究*

王麗娟

(湖南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)，421002)

0 引 言

增材制造(ALM)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了極大的關(guān)注[1]。增材制造的優(yōu)勢(shì)總結(jié)為以下三點(diǎn) ：(1)零件的幾何形狀不局限于模具或模具形狀，而且可以制造傳統(tǒng)技術(shù)不可能制造的復(fù)雜幾何形狀；(2)使用ALM可以很容易地實(shí)現(xiàn)零件的快速原型測(cè)試和評(píng)估；(3)無(wú)需進(jìn)行任何后續(xù)處理(例如機(jī)加工或鉆孔)就可以呈現(xiàn)所需的幾何形狀，從而消除了在此類后處理過程中引起零件局部和微觀結(jié)構(gòu)破壞的殘余應(yīng)力[2-6]。復(fù)合材料3D打印還具有在復(fù)雜曲率中更改纖維方向以增強(qiáng)任何給定區(qū)域的附加優(yōu)勢(shì)[7-8]。

借助3D打印技術(shù)，可以在不使用昂貴的定制模具以及傳統(tǒng)方法相關(guān)的后續(xù)處理加工工藝的條件下實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的復(fù)合材料的制備[9-11]。絕大多數(shù)3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括預(yù)混合的聚合物長(zhǎng)絲、樹脂或帶有短碳纖維(SCF)的粉末[12]。用于商用3D打印機(jī)的打印方法包括熔融沉積建模(FDM)、立體光刻(SLA)、擠出和選擇性激光燒結(jié)(SLS)。最常見的3D打印方法是熔融沉積建模(FDM)，也稱為熔融長(zhǎng)絲制造(FFF)[13-16]。熔融沉積建模(FDM)是一種ALM塑料技術(shù)，人們認(rèn)為其足以將纖維增強(qiáng)材料和聚合物基體結(jié)合起來(lái)。在FDM技術(shù)中，將熱塑性長(zhǎng)絲通過注射器擠出，加熱到塑料的熔化溫度，然后放在普通模具上[17-18]。一旦放置，材料就會(huì)冷卻下來(lái)，變成固體并達(dá)到最終形狀。最終的3D幾何形狀是由2D層制成的[19-20]。復(fù)合材料的3D打印可制造出更堅(jiān)固，更輕量化的零件，可以滿足汽車和航空航天行業(yè)的迫切需求[21]。

復(fù)合材料的3D打印存在兩個(gè)難點(diǎn)[22]。一個(gè)是纖維長(zhǎng)絲的橫截面為橢圓形，而且有機(jī)材質(zhì)基體與纖維之間潤(rùn)濕性不好，長(zhǎng)絲的形狀阻止熱塑性基體完全填充纖維之間的空間，從而導(dǎo)致微小的孔隙。復(fù)合長(zhǎng)絲纖維層與層之間的孔隙以及纖維與熱塑性基體之間的孔隙是應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展的潛在失穩(wěn)源。研究表明，3D打印復(fù)合材料的孔隙含量通常在10%左右。另一個(gè)難點(diǎn)是增強(qiáng)纖維直徑的大小限制了薄壁的厚度。由于纖維長(zhǎng)絲的直徑，Mark 2復(fù)合3D打印機(jī)的碳纖維厚度限制為0.125 mm，玄武巖纖維、凱夫拉爾纖維和高強(qiáng)度玻璃纖維厚度限制為0.1 mm。寬度限制高于纖維絲的厚度限制(2.9 mm)。而且，商用3D打印機(jī)中預(yù)混合樹脂在使用時(shí)存在一些問題，用于FDM實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)絲中的纖維會(huì)減少材料沉積過程中打印頭處的膠帶膨脹，并增加長(zhǎng)絲的剛度[23-26]。

為了改善3D打印材料的性能，本文首先采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維進(jìn)行改性處理，增加纖維與聚酰胺(PA6)有機(jī)材料基體之間的潤(rùn)濕性，然后通過在MarkOne?3D打印機(jī)中使用熔融沉積建模FDM工藝制造長(zhǎng)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料，對(duì)纖維表面和3D打印復(fù)合材料進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)研究了玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料試樣的拉伸、壓縮、面內(nèi)剪切等力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

聚酰胺纖維(PA6纖維-1500D)，由江蘇杜為新材料科技有限公司提供，性能參數(shù)如表1所示。玻璃纖維，由美國(guó)Markforged提供，玻璃纖維經(jīng)過表面改性處理后，纏繞入線軸。玻璃纖維性能參數(shù)如表2所示。

表1 PA6纖維的性能參數(shù)

表2 玻璃纖維的性能參數(shù)

1.2 樣品制備

為了研究在零部件中應(yīng)用3D打印復(fù)合材料的可能性，通過3D打印工藝制造連續(xù)纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。在FDM中，3D打印機(jī)將高溫下的PA纖維材料和玻璃纖維材料注入到設(shè)備中，在材料冷卻時(shí)，即形成連續(xù)纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料樣品。打印機(jī)打印溫度設(shè)定為260 ℃，打印層高0.2 mm，打印速度為40 mm/s。

1.3 樣品表征

采用日本日立S4800掃描電鏡觀察玻璃纖維的形態(tài)；采用英國(guó)布萊特公司BRIGHT KAS-2000F離子濺射儀進(jìn)行噴金200 s，用導(dǎo)電膠將材料粘到鋁板上進(jìn)行觀察；在室溫下，采用日本島津IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀檢定玻璃纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用衰減全反射模式，在450～4 000 cm-1范圍內(nèi)掃描樣品。

1.4 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)按照《GB/T 3354—2014定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，以表征3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在纖維方向和垂直于纖維方向上的力學(xué)性能。將3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沿纖維方向和垂直于纖維方向制成一塊面板，然后再切割。沿纖維方向制造的拉伸試驗(yàn)試樣的尺寸為高250 mm，寬12.5 mm，厚1 mm；垂直于纖維的方向上的拉伸試驗(yàn)試樣尺寸為高175 mm，寬25 mm，厚2 mm。

1.5 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)按照《GB/T 21239-2007 纖維增強(qiáng)塑料層合板沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試是在沿纖維方向和垂直于纖維方向上進(jìn)行的。試樣尺寸為高80 mm，寬12.5 mm，厚2 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的表面處理

圖1為玻璃纖維表面處理前后的紅外光譜分析，其中GF譜線為未經(jīng)處理的玻璃纖維，GF-S譜線為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維。從圖1可以看出，未經(jīng)處理的玻璃纖維無(wú)明顯峰值，而經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維譜線則出現(xiàn)了明顯的峰，其中在1 071 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于Si-O鍵的特征吸收峰；在1 580 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于-HN2的變形振動(dòng)峰；在1 441 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)-CH3的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰；而2 972 ，2 886，1 387 ，953和764 cm-1處的峰為Si-O-CH2CH3的基團(tuán)特征峰。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑與玻璃纖維表面存在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

圖1 玻璃纖維表面處理前后的FT-IR圖

圖2為玻璃纖維表面處理前后的SEM圖譜。從圖2可以看出，處理前的玻璃纖維表面光滑平整，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，玻璃纖維表面變得粗糙，有明顯的凸起顆粒，進(jìn)一步說(shuō)明玻璃纖維表面與硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

圖2 玻璃纖維表面處理前后的SEM圖

2.2 試樣微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3為由玻璃纖維/PA復(fù)合材料制成的3D打印單絲的SEM圖。從圖3可以看出，玻璃纖維表面出現(xiàn)了大量樹脂堆積，纖維之間沒有經(jīng)過任何壓實(shí)階段，因此最終3D打印復(fù)合材料含有較多孔隙，而且長(zhǎng)絲(并排和逐層)之間的接頭不充分。

圖3 由玻璃纖維/PA復(fù)合材料制成的3D打印單絲的SEM圖

2.3 連續(xù)纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能

2.3.1 試樣沿纖維方向的拉伸性能

沿纖維方向上拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可以看出，復(fù)合材料試樣的拉伸曲線中，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性變化，直到發(fā)生斷裂。在應(yīng)力達(dá)到550 MPa時(shí)，試樣發(fā)生斷裂，拉伸應(yīng)變?yōu)?.23%。對(duì)于沿纖維方向的拉伸斷裂而言，斷裂失效是可以預(yù)測(cè)的，而且斷裂方向基本垂直于應(yīng)力加載方向。

圖4 沿纖維方向上拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3.2 試樣垂直于纖維方向的拉伸性能

垂直于纖維方向上拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知，在應(yīng)變曲線的前半段可以觀察到線性演變，到應(yīng)變曲線后半段，復(fù)合材料試樣可以觀察到非線性應(yīng)變，直至材料發(fā)生斷裂。非線性應(yīng)變的出現(xiàn)應(yīng)該主要是由于基體材質(zhì)為有機(jī)材料，韌性較好。復(fù)合材料試樣垂直于纖維方向上的斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到10.56 MPa，試樣發(fā)生斷裂時(shí)，拉伸應(yīng)變?yōu)?.32%。

2.3.3 試樣沿纖維方向的壓縮性能

沿纖維方向上壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6可以看出，應(yīng)力隨應(yīng)變呈現(xiàn)線性變化，直至材料斷裂。復(fù)合材料試樣沿纖維方向上的壓縮斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到86.82 MPa，試樣發(fā)生斷裂時(shí)，壓縮應(yīng)變?yōu)?.62%。

圖5 垂直于纖維方向上拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 沿纖維方向上壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3.4 試樣垂直于纖維方向的壓縮性能

垂直于纖維方向上壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。從圖7可以看出，測(cè)試過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線直到斷裂失效，一直呈現(xiàn)非線性的變化。失效裂紋方向垂直于載荷方向，斷裂失效處與試樣的局部橫向不穩(wěn)定性具有很強(qiáng)的相關(guān)性，這可能與3D打印復(fù)合材料孔隙較多有關(guān)。復(fù)合材料試樣垂直于纖維方向上的壓縮斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到13.95 MPa，試樣發(fā)生斷裂時(shí)，壓縮應(yīng)變?yōu)?.22%。

圖7 垂直于纖維方向上壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

(1)纖維的表面處理表明，硅烷偶聯(lián)劑與玻璃纖維表面有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

(2)復(fù)合材料試樣沿纖維方向的拉伸曲線應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性變化，直到斷裂，在應(yīng)力達(dá)到550 MPa時(shí)，試樣發(fā)生斷裂，拉伸應(yīng)變?yōu)?.23%；而在垂直于纖維方向上，斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到10.56 MPa，試樣發(fā)生斷裂時(shí)，拉伸應(yīng)變?yōu)?.32%。

(3)復(fù)合材料試樣沿纖維方向的壓縮斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到86.82 MPa，試樣發(fā)生斷裂時(shí)，壓縮應(yīng)變?yōu)?.62%；而在垂直于纖維方向上，壓縮斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到13.95 MPa，試樣發(fā)生斷裂時(shí)，壓縮應(yīng)變?yōu)?.22%。