采用螺桿擠壓法合成高強度碳纖維增強尼龍6復(fù)合材料

供稿人：張倍寧、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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(fù)雜結(jié)構(gòu)，但FFF固有的低流量和相對較低的強度為大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用帶來了主要障礙。在這項工作中，通過將復(fù)合材料顆粒直接送入定制的螺桿擠出3D打印機(jī)，制造了高強度的PA6-CF復(fù)合部件，其CF含量高達(dá)35wt%。這項工作研究了CF含量對PA6-CF復(fù)合材料流變性能和力學(xué)性能的影響，力學(xué)試驗表明，CF顯著提高了3d打印復(fù)合材料的強度，獲得了最高169.9MPa的拉伸強度。

打印樣件的制備過程如下圖1所示。將硅烷偶聯(lián)劑KH792溶液處理過的PA6球團(tuán)送入臺式雙螺桿擠出機(jī)中，連續(xù)的CF絲束通過旋轉(zhuǎn)的雙螺桿直接拉入擠出機(jī)，以制備PA6-CF復(fù)合材料，如圖1a所示。制備的PA6-CF復(fù)合球團(tuán)在80℃的除濕機(jī)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(tǒng)，如圖1b所示。通過拉伸，彎曲和沖擊測試中評估了打印復(fù)合材料的機(jī)械性能，測試尺寸及標(biāo)準(zhǔn)如圖1c所示。

圖1 制備PA6-CF復(fù)合試樣的原理圖(a)制備PA6-CF顆粒(b)螺桿3D打印機(jī)制備PA6-CF復(fù)合試樣 (c)每次力學(xué)試驗的尺寸和ASTM標(biāo)準(zhǔn)

打印樣件的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖2所示。PA6- 25CF的抗拉強度達(dá)到169.7 MPa，是純PA6強度(54.1 MPa)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(fù)合材料中最高的。PA6-25CF的最高楊氏模量達(dá)到6.9 GPa。隨著CF含量的進(jìn)一步增加，PA6-35CF的極限強度略有下降，為160.8 MPa，如圖2a所示。與拉伸試驗類似，當(dāng)CF含量為25wt%時，其抗彎強度和模量均達(dá)到最大值，分別為218.9 MPa和14.14 GPa，如圖2b所示。而復(fù)合材料的沖擊強度隨CF含量的增加而單調(diào)增加，PA6-35CF沖擊強度可達(dá)8.89 kJ/m2(圖2c)。為了評估PA6高溫應(yīng)用下的固有熱穩(wěn)定性，對PA6- 35CF復(fù)合材料的拉伸性能在高溫下進(jìn)行了檢測，如圖2d所示，斷裂應(yīng)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(yōu)良的強度(68.5 MPa)，與PLA, ABS和PC在室溫下的強度相當(dāng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，3d打印的PA6-CF復(fù)合材料可能適用于各種高溫應(yīng)用。

用掃描電鏡(SEM)對拉伸斷裂試樣的截面進(jìn)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(dǎo)致了PA6-25CF試件的強度和模量的增加。進(jìn)一步增加CF含量到PA6-35CF(圖3c)時，拉出空洞常被擴(kuò)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(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能都表明，當(dāng)CF含量在25 wt %左右時，會產(chǎn)生強化飽和效應(yīng)，其中由較高CF含量提供的力學(xué)改善并不能補償與內(nèi)部缺陷相關(guān)的結(jié)構(gòu)弱化效應(yīng)（如較高的孔隙率和較差的浸漬率）。

圖2 打印PA6和PA6- CF復(fù)合材料的力學(xué)性能。(a) 拉伸強度和模量，(b)彎曲強度和模量，(c)沖擊強度，(d)高溫下的拉伸強度和模量。

圖3 拉伸斷裂3d打印PA6-CF復(fù)合材料試樣截面的顯微組織 (a) PA6-15CF，(b) PA6-25CF和(c) PA6-35CF。(d) - (f)為每個試件矩形區(qū)域的放大視圖

在本研究中，使用螺旋擠壓3D打印機(jī)對高強度PA6-CF復(fù)合材料樣件進(jìn)行了制備。結(jié)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(dāng)高抗拉強度的復(fù)合材料，最大抗拉強度達(dá)到169.7 MPa。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(yōu)化印刷工藝和開發(fā)新的復(fù)合原料提供了廣闊的機(jī)會。

參考文獻(xiàn)：
Li X., He J., Hu Z., et al. High strength carbon-fiber reinforced polyamide 6 composites additively manufactured by screw-based extrusion[J]. Composites science and technology,2022,229.