PS對PS/CF復合材料SLS燒結件力學性能及成型精度的影響

楊來俠，王 勃，徐 超，陳夢瑤

(西安科技大學機械工程學院，西安 710054)

0 前言

在眾多3 D打印技術中，SLS的應用最為廣泛[1]，它是在三維模型的驅動下，計算機根據模型切片的截面信息控制高能激光束，有選擇的掃描照射被加工的粉末材料，逐層累加進而實現三維實體零件的制造[2]。PS是SLS中應用廣泛的高分子材料之一[3]，其燒結件的收縮率較小，但強度較差[4]，難以直接投入到工業生產中。CF作為一種新型的纖維材料，對多種高分子材料均有很好的增強效果[5-7]。鑒于此特征，通過機械混合的方法制備了PS/CF復合材料，利用PS和CF之間燒結后的相互作用，形成類似于“鋼筋混凝土”的穩定結構，將燒結件中PS所受到的應力均勻傳導到CF上，從而實現燒結件強度的提高[8]。

在實際的工業生產中，SLS常用來制作快速熔模鑄造行業中的鑄造原型[9-11]。鑄造原型進行零件澆鑄過程中，由于受到浸蠟、掛漿等工藝的影響，往往會受到拉伸、彎曲以及沖擊應力的復合作用。因此在衡量燒結件的力學性能時，需將燒結件的彎曲強度、拉伸強度和沖擊強度同時作為衡量指標進行考量[12]。在眾多影響因素中，粉末材料的平均粒徑是影響燒結件質量最重要的因素之一；在復合材料中，填料含量較少且粒徑一般小于基體材料，因此影響PS/CF復合材料燒結件質量的最重要因素為PS的平均粒徑[13]。基體材料粒徑過大時，燒結件孔隙率高，從而造成燒結件強度的急劇下降；粒徑過小時，容易產生過燒結現象，從而在燒結完成后產生較強的內應力，造成燒結件產生嚴重的變形[14-15]。因此，在SLS中一般要求復合材料中基體材料的平均粒徑分布在70～300 μm之間[16]。

本文以PS作為基體材料，CF作為填料制備了PS/CF復合材料，對同一比例下使用不同粒徑的PS制得的PS/CF復合材料的粒徑分布進行了測量分析。在此基礎上通過SLS實驗研究了不同粒徑的PS以及不同質量分數的CF對PS/CF復合材料燒結件的力學性能和成型精度的影響，并從微觀角度對PS/CF復合材料燒結件的增強機理進行了分析。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PS，粉末，工業級，平均粒徑分別為75、115、155、195、235 μm，密度1.040～1.065 g/cm3，吸濕率0.02～0.3 %，收縮率0.2～0.6 %，玻璃化轉變溫度75～105 ℃，黏態流動溫度175～195 ℃，分解溫度>300 ℃，上海和晟塑膠微粉有限公司；

CF，T300級，單絲直徑7 μm，短切長度為150 μm，拉伸強度2～7 GPa，密度1.75 g/cm3，含碳量≥95 %，比熱容7.12 J/(kg·℃)，滄州中麗新材料科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

游標卡尺，111N-101-10G，量程為150 mm，桂林廣陸數字測控股份有限公司；

分析天平，UTP313-4，上海花潮電器有限公司；

高速混合機，SHR-10A，張家港市萬凱機械有限公司；

標準振篩機，JS14S，新鄉市高新區中志篩分機械有限公司；

快速成型機，XJRPSLS300，陜西恒通智能機器有限公司；

電子萬能材料試驗機，3360，美國英斯特朗工程(上海)材料測試機公司；

簡支梁沖擊試驗機，SJJ-50，承德金和儀器制造有限公司；

激光粒徑分析儀，LS230，貝克曼庫爾特商貿(中國)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，EVO 18，卡爾蔡司光學(中國)有限公司。

1.3 樣品制備

PS/CF復合粉末制備：制備PS/CF復合材料可分為2個階段，第一階段，為了研究PS粒徑對PS/CF燒結件力學性能的影響，按照90∶10 的質量比分別使用分析天平稱取適量平均粒徑為75、115、155、195、235 μm的PS和適量CF，通過機械混合的方法對其進行混合，然后將混合后的粉末材料放入標準振篩機中進行過濾篩分，得到適合SLS不含大顆粒雜質的PS/CF復合材料；第二階段，在得到最佳粒徑PS的基礎上，為了研究復合材料中CF的質量分數對PS/CF燒結件的力學性能及成型精度的影響，制備得到CF的質量分數分別為5 %、10 %、15 %、20 %、25 %的PS/CF復合材料，制備方法與第一階段相同；

力學性能測試件制備：在工藝參數為激光功率30 W，掃描間隔0.32 mm，預熱溫度80 ℃，分層厚度0.25 mm和掃描速度為2 000 mm/s等條件下，使用混合篩分得到的PS/CF復合材料，參照國家標準GB/T 1447—2005 和GB/T 1043.1—2008，利用XJRPSLS 300 快速成型機每次同時等間距的燒結5個彎曲強度測試樣件、5個拉伸強度測試樣件以及5個沖擊強度測試樣件；具體尺寸如圖1(a)、(b)及(c)所示。

(a)彎曲試樣 (b)拉伸試樣 (c)沖擊試樣圖1 標準測試樣件Fig.1 Standard test sample

1.4 性能測試與結構表征

粒徑分析：取5～10 g的PS/CF復合材料與適量直鏈烷基苯碳酸鈉水溶液混合，用膠頭滴管吸取少量混合液體放入粒徑分析儀中進行測試，連續進行2次測試，取其均值；

力學性能測試：按照GB/T 1447—2005 在室溫環境下通過電子萬能材料試驗機對所制備的PS/CF復合材料燒結件進行彎曲和拉伸試驗；其測試計算方法為：設定電子萬能材料試驗機的加力速度為2 mm/min，測定得到燒結件的最大彎曲應力和拉伸應力，然后分別根據式(1) 和式(2) 計算出燒結件的彎曲強度和拉伸強度，最后將每組5個燒結件彎曲強度或拉伸強度的平均值作為PS/CF復合材料燒結件的計算實驗值;

(1)

式中σ1——彎曲強度，MPa

F——最大彎曲應力，kN

L——跨距，L=64 mm

B——測試試樣寬度，mm

H——測試試樣高度，mm

(2)

式中σ2——拉伸強度，MPa

F——最大拉伸應力，kN

B——試樣寬度，mm

D——試樣厚度，mm

試樣沖擊強度的測試：按照GB/T 1043.1—2008 在室溫條件下，試樣無缺口設定簡支梁沖擊試驗機擺錘能量為7.5 J，沖擊速度為3.8 m/s；試樣的沖擊強度值可通過試驗機直接測量讀數；

SEM分析：在彎曲和拉伸實驗的基礎上，對經過破壞的試樣的斷面進行噴金處理，采用SEM觀測PS/CF復合材料燒結件中CF的分布方式和規律，從微觀角度分析燒結件力學性能和精度變化的原因，測試加速電壓為4 kV，室溫下測試。

2 結果與討論

2.1 復合材料粒徑分析

如圖2所示5種PS/CF復合材料的粒徑集中分布范圍分別為30.07～123.7、39.78～176.9、67.94～194.92、121.78～256.9、146.8～303.69 μm，均可滿足SLS對粉末材料粒徑的要求。

PS粒徑/μm:1—75 2—115 3—155 4—195 5—235圖2 PS/CF復合材料粒徑分布范圍Fig.2 Particle size distribution range of PS/CF composite powder materials

2.2 燒結件性能分析

2.2.1 PS粒徑對燒結件力學性能及成型精度的影響

(a)彎曲強度 (b)拉伸強度 (c)沖擊強度圖3 PS粒徑對PS/CF復合材料燒結件力學性能的影響Fig.3 Effect of PS particle size on mechanical properties of sintered PS/CF composites

PS粒徑/μm：(a)75 (b)115 (c)155 (d)195 (e)235圖4 不同PS粒徑的PS/CF燒結件的斷面形貌Fig.4 Cross section morphology of PS/CF sintered parts with different particle size

如圖3所示PS粒徑對PS/CF燒結件的彎曲、拉伸以及沖擊強度產生的影響效果是不同的。對于彎曲強度而言，其大小整體上隨著PS粒徑的增大而減小，這是因為隨著PS粒徑的不斷增大，PS熔融程度降低，燒結件孔隙率不斷增大，如圖4 (a)～(e)所示；PS與CF之間的接觸面積減小，進而導致燒結件彎曲強度值整體上隨著PS粒徑的增大而減小。對于拉伸強度而言，其大小隨著PS粒徑的增大先急劇下降而后緩慢減小，這是因為抵抗拉伸應力的主要因素為PS與CF之間的融合效果，融合效果越好拉伸強度值越大；結合圖4(a)和(b)～(e)的對比可以看出PS粒徑為75 μm的PS/CF復合材料中2種材料的融合效果遠好于其他復合材料，同時當PS粒徑大于115 μm時，PS/CF復合材料中2種材料的融合變化程度較小，因此PS/CF燒結件的拉伸強度隨著PS粒徑的增大先急劇下降而后緩慢減小。對于沖擊強度而言，其大小隨著PS粒徑的增大而減小，這是因為沖擊應力的作用時間較短，燒結件所受的力不能均勻的分散到CF上，此時沖擊強度的大小僅與PS的熔融程度有關，熔融程度越高沖擊強度越大，而PS的熔融程度與其粒徑的大小成反比例關系，所以沖擊強度隨著PS粒徑的增大而減小。

如圖5所示PS粒徑對PS/CF復合材料燒結件x向和y向成型精度的影響較小，燒結件精度并未出現明顯的變化；但是對于燒結件z向成型精度而言，當PS粒徑大于155 μm時，燒結件z向尺寸偏差明顯變大，精度急劇變差。這是因為在燒結過程中，燒結件x向、y向的成型精度僅與材料自身的收縮性和鋪粉效果有關，材料粒徑對其的影響并不明顯，所以燒結件x向、y向成型精度并未出現明顯的變化。而燒結件z向成型精度與燒結質量有著密切關系，燒結質量越差，z向成型精度越差，PS/CF復合材料燒結件的燒結質量由PS與CF之間的融合程度決定融合效果越差燒結質量就越差[17]。因此結合圖4 (a)～(c)可以看出，當PS粒徑小于等于155 μm時，PS與CF之間融合較好，成型質量較為優良，所以燒結件z向成型精度較好，且變化幅度較小；結合圖4 (d)和(e)可看到，當PS粒徑大于155 μm時，PS與CF之間的融合較差，導致燒結質量較差，會在清粉過程中會造成嚴重的“掉粉”現象，進而使得燒結件z向成型精度急劇變差。

2.2.2 CF含量對燒結件力學性能及成型精度的影響

如圖6所示CF的質量分數為0～15 %時，燒結件的彎曲、拉伸以及沖擊強度均出現了不同程度的增強，因為適量的CF可均勻的填充在PS中，熔融后的PS可將CF完全包裹，形成穩定的“鋼筋混凝土”結構，尤其在CF的質量分數為10 %時效果最佳；當CF的質量分數過多時，由于CF具有良好的導熱性，會將大量用來熔融PS的熱量傳導至非燒結區域，使得PS得不到充分熔融；因此當CF的質量分數大于10 %時其增強效果減弱，尤其在CF的質量分數大于20 %時，PS/CF燒結件的力學性能低于純PS燒結件。

(a)x、y向 (b)z向圖5 PS粒徑對PS/CF燒結件成型精度的影響Fig.5 Effect of particle size of matrix material on the molding precision of PS/CF sintered parts

(a)彎曲強度 (b)拉伸強度 (c)沖擊強度圖6 PS/CF復合材料中CF的質量分數對燒結件力學性能的影響Fig.6 Effect of mass fraction of CF in PS/CF composites on mechanical properties of sintered parts

(a)x、y向 (b)z向圖7 PS/CF復合材料中CF的質量分數對燒結件成型精度的影響Fig.7 Effect of mass fraction of CF in PS/CF composites on the forming accuracy of sintered parts

如圖7(a)所示CF質量分數的變化并不會引起燒結件x向和y向成型精度產生明顯的變化，其變化原因與2.2.1中PS粒徑對PS/CF燒結件x向和y向成型精度影響的分析原因相同。圖7(b)中可以看出CF的存在可極大改善燒結件z向的成型精度，但是當CF的質量分數大于10 %時，改善效果略有下降，這是因為CF具有良好的導熱性，適量CF的可將激光產生的熱量均勻的分散到燒結件各部分，同時將多余的熱量迅速導出，燒結件各部分的材料均勻的充分熔融，各粉末顆粒之間的粘接效果良好，進而使得燒結件具有較為優良的力學性能和z向成型精度；當CF的質量分數高于10 %時，過多的CF會將用來熔融PS的部分熱量迅速帶走，造成PS/CF復合材料燒結不充分，層與層之間的粘接不牢，導致燒結件底部出現“掉粉”、“掉層”現象，因此當CF的質量分數高于10 %時燒結件z向尺寸成型精度的改善效果略有下降。

3 結論

(1)以不同粒徑的PS作為基體材料制備了PS/CF復合材料，該復合材料的粒徑分布范圍分別為30.07～123.7、39.78～176.9、67.94～194.92、121.78～256.9、146.8～303.69 μm，均可滿足SLS的使用要求；

(2)在保證PS/CF燒結件力學性能和成型精度的前提下，得出最佳的PS粒徑為75 μm，最佳的CF質量分數為10 %；并測得PS/CF燒結件的彎曲、拉伸以及沖擊強度可分別達到6.88、2.97 MPa和2.98 kJ/m2，x向、y向及z向的尺寸偏差絕對值僅為0.8 %、0.22 %、1.6 %；

(3)與同種工藝下粒徑為75 μm的純PS相比較，PS粒徑為75 μm、CF質量分數為10 %的PS/CF復合粉末材料燒結件的彎曲、拉伸以及沖擊強度分別提高62.06 %、74.29 %、83.95 %，x向、y向及z向成型尺寸成型精度分別提高5.44 %、69.44 %、81.34 %。