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熔融沉積成型3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的抗沖擊性能

供稿人:劉騰達(dá) 王玲 供稿單位:機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  發(fā)布日期:2020-12-27

近些年,F(xiàn)DM技術(shù)由于其低成本,高靈活性以及較快的成型速度而備受關(guān)注。但由于聚合物的機(jī)械性能不足的問(wèn)題,大多數(shù)FDM打印聚合物產(chǎn)品現(xiàn)在仍被用作概念原型,而無(wú)法作為結(jié)構(gòu)功能組件。因此,研究人員將連續(xù)纖維引入FDM技術(shù)中,顯著提高FDM成型件的機(jī)械性能。其中復(fù)合材料的沖擊性能是影響其綜合性能的一個(gè)重要因素,例如飛機(jī)或者車(chē)輛的抗碰撞性能,防彈衣的防彈性能等。

針對(duì)此問(wèn)題,西班牙卡斯蒂利亞-拉曼恰大學(xué)的M.A. Caminero等人分別研究了碳纖維,玻璃纖維和凱夫拉纖維等不同纖維類(lèi)型對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響。另外還詳細(xì)分析了打印方向,層厚和纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)沖擊性能的影響,樣件圖如下圖1所示。對(duì)沖擊試樣斷裂表面的掃描電鏡圖像進(jìn)行評(píng)估,以確定工藝參數(shù)對(duì)沖擊損傷和破壞機(jī)制的影響。

圖1 具有不同工藝參數(shù)的復(fù)合材料樣件

不同纖維類(lèi)型,打印方向和纖維含量的沖擊性能對(duì)比圖如下圖2所示。從圖中可以看出,纖維含量越高,復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度越高。在纖維類(lèi)型和纖維含量一定時(shí),復(fù)合材料在打印方向的沖擊強(qiáng)度比橫向沖擊強(qiáng)度更高。對(duì)于不同的纖維類(lèi)型,玻璃纖維的抗沖擊強(qiáng)度最高,碳纖維的抗沖擊強(qiáng)度最低。當(dāng)使用玻璃纖維且纖維含量為55.60%(即Type C型)時(shí),復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度最大,達(dá)到了280.95kJ/m2。

圖2 纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度對(duì)比圖(a)碳纖維(b)凱夫拉纖維(c)玻璃纖維

不同纖維類(lèi)型的沖擊斷裂面如圖3所示,其余研究表明,在靜力實(shí)驗(yàn)中,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)為最強(qiáng)的抗彎強(qiáng)度,但由于碳纖維脆性較高,并不能承受較高的沖擊力。相比之下,玻璃纖維和凱夫拉纖維韌性較好,但玻璃纖維和尼龍表現(xiàn)為更好的材料結(jié)合性能,因此與凱夫拉纖維相比,玻璃纖維的抗沖擊性能更高。

圖3 不同復(fù)合材料樣件的沖擊斷裂面SEM電鏡圖 (a)碳纖維(b)玻璃纖維(c)凱夫拉纖維

參考文獻(xiàn):

  1. M.A. Caminero, J.M. Chacón, I. García-Moreno, G.P. Rodríguez, Impact damage resistance of 3D printed continuous fibre reinforced thermoplastic composites using fused deposition modelling, Composites Part B: Engineering 148 (2018) 93-103.
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