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，421002)

0 引 言

增材制造(ALM)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，近年來受到了極大的關(guān)注[1]。增材制造的優(yōu)勢總結(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)零件的快速原型測試和評估；(3)無需進(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[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。在FDM技術(shù)中，將熱塑性長絲通過注射器擠出，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，材料就會冷卻下來，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)基體與纖維之間潤濕性不好，長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)的長絲中的纖維會減少材料沉積過程中打印頭處的膠帶膨脹，并增加長絲的剛度[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工藝制造長纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料，對纖維表面和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)行測試。測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處的峰對應(yīng)于Si-O鍵的特征吸收峰；在1 580 cm-1處的峰對應(yīng)于-HN2的變形振動峰；在1 441 cm-1處的峰對應(yīng)-CH3的不對稱伸縮振動和彎曲振動峰；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%。對于沿纖維方向的拉伸斷裂而言，斷裂失效是可以預(yù)測的，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%。