基于增材制造的碳纤维/高分子复合材料研究现状

介绍了碳纤维对高分子材料改性的基本原理以及碳纤维表面处理的相关技术,并列举了近几年来采用激光烧结和熔融沉积等增材制造技术制备碳纤维/高分子复合材料的研究进展,最后对碳纤维在增材制造材料领域未来的发展进行了展望。     

连续纤维增强PEEK增材制造力学性能与成型质量优化

针对连续纤维增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料增材制造中的界面结合差、制件精度不高等技术瓶颈,基于多热力场耦合作用下的连续纤维增材制造成型工艺,实现了典型样件的3D打印制备。基于正交实验设计,并通过微观形貌表征和力学性能测试,探究了喷头温度、打印速度和分层厚度对打印制件的表面粗糙度和弯曲性能的影响规律,获得连续纤维增强PEEK复合材料增材制造成型优化工艺参数。结果表明,分层厚度对表面粗糙度、弯曲强度和弯曲弹性模量具有显著影响,而打印速度和喷头温度对力学性能和成型精度影响较小。分层厚度越小,打印道间结合质量越好,成型制件表面粗糙度越小,弯曲弹性模量和弯曲强度越高。最优工艺参数为喷头温度390℃、打印速度2 mm/s和分层厚度0.4 mm。经试验验证,最优工艺参数下表面粗糙度达到最小为24.99 μm,弯曲弹性模量和弯曲强度分别达到最大为57.05 GPa和355.07 MPa。     

基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感，在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上，设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样，并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明：由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少，限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高，但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍；当仿生结构复合材料试样受到冲击力时，其内部六边形结构的连接角度会发生变化，从而极大消耗冲击能量，同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展，因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍；仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能，且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造，可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。     

PEEK/CGF复合材料增材制造综合力学性能优化

为提升连续玻璃纤维(CGF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料增材制造样件综合力学性能,优化增材制造基础工艺参数,基于正交试验与单因素试验设计,通过力学性能测试,探究了喷头温度、平台温度、打印速度、层厚等工艺参数对综合样件力学性能的影响,获得PEEK/CGF增材制造成型工艺优化参数,进一步探究了重点工艺参数对PEEK/CGF样件力学性能的影响规律。结果表明,层厚与喷头温度对样件的综合力学性能具有显著影响,最优工艺参数组合为喷头温度440℃,平台温度160℃,打印速度2 mm/s,层厚0.35 mm。随喷头温度的增加,样件的综合力学性能先增大后减小,在440℃达到最大值;随层厚的减小,样件的力学性能逐渐增大,层厚为0.35 mm时样件的力学性能达到最大值。经试验验证,在最优工艺参数组合下样件综合力学性能达到最优,样件弯曲强度为351.59 MPa,层间剪切强度为34.96 MPa,拉伸强度为383.75 MPa。     

金属化碳纤维

在碳纤维表面镀覆不同的金属、合金或复合镀层后,可以获得新型的金属化碳纤维。它由于在原有的碳纤维高性能基础上,又增加了各种金属的优良性能,因此不但可以解决碳纤维与金属之间的不润湿性问题,用于制备具有优异性能的金属基复合材料,     

熔融纺丝工艺制备碳纤维原丝

聚丙烯腈基碳纤维的制备主要采用溶液纺丝方法,生产过程需要溶剂回收,工艺流程长,因此制造成本高。笔者主要介绍了聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺概况,特别介绍了熔融纺丝路线制备聚丙烯腈原丝的方法。利用共聚改性、增塑改性、纺丝后处理等方法,可以制备聚丙烯腈基碳纤维,并提出了由熔融纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维的可行路线。     

FDM成型工艺对PEEK/CGF复合材料翘曲变形的影响

为降低连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料增材制造样件的翘曲变形,优化增材制造基础工艺参数,通过单因素试验、Plackett-Burman Design试验与Box-Behnken Design试验,研究了打印过程中的热效应,即保温舱温度、层厚、成型平台温度、打印速度等工艺参数对连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料样件翘曲变形的影响规律,得出如下结论：研究发现打印工艺对翘曲度的影响程度是不同的,影响程度依次为B (层厚)> C (成型平台温度)> A (保温舱温度)。研究发现打印工艺参数之间是会对翘曲变形产生交互作用的,并且影响程度也较为显著(PB析因试验中大于t值),即B> C> A> AB> BC> D (打印速度)> BD。研究发现喷头温度440℃,成型平台温度100℃,保温舱温度90℃,层厚0.3 mm,道间距为0.5 mm,打印速度2 mm/s时,翘曲度可达到0.23%。     

连续与短切CF增强PA6复合材料双喷头3D打印工艺参数优化

为提升连续碳纤维(CF)和短切CF增强尼龙6复合材料3D打印制件的力学性能、优化3D打印基础工艺参数，基于熔融沉积型3D打印工艺，通过自主搭建的双喷头3D打印实验平台制备打印制件，并以此为研究对象，设计4因素3水平正交试验，研究连续CF隔层数、连续CF打印间距、打印温度、打印速度四种工艺参数对打印制件拉伸强度和弯曲强度的影响。采用极差分析法得到最佳工艺参数组合，验证正交试验结果。使用扫描电子显微镜观察拉伸制件和弯曲制件的断裂面微观形貌，进一步探究了打印制件的层间断裂形貌特性和层内丝材分布规律。结果表明，当连续CF隔层数为1、连续CF打印间距为0.5 mm、打印温度为250℃、打印速度为900 mm/s时，打印制件的层内沉积线之间孔隙较少，层间结合效果较好，其拉伸强度和弯曲强度达到最高，分别为109.73 MPa和119.14 MPa，与短切CF增强尼龙6复合材料相比，拉伸强度提升了249%，弯曲强度提升了286%。     

柔性受压电铸制备连续碳纤维增强镍基复合材料

采用柔性受压电铸技术在室温下制备了连续碳纤维增强镍基复合材料,阐述了制备的工艺过程。研究了所得复合材料的表面形貌、断口形貌、结晶取向以及抗拉强度。结果表明:柔性受压技术的辅助作用改变了镍的沉积过程,细化了镍晶粒,提高了碳纤维与镍基的结合性能,显著提升了复合材料的抗拉强度。当碳纤维的体积分数为35%时,连续碳纤维增强镍基复合材料的抗拉强度高达1 250 MPa。     

Cf/SiC复合材料的原料高效改性及其3D打印制备研究进展

选用3D打印制备的碳纤维增强碳化硅陶瓷基（Cf/SiC）复合材料被广泛应用在航空航天、国防军事等重大领域。碳纤维（Cf）作为陶瓷基复合材料的主要候选增强体之一,由于表面惰性的存在,为了提高其与碳化硅（SiC）陶瓷基体的粘附性,对原料Cf的表面改性工作是十分必要的。粉末原料的高效改性制备是3D打印成型陶瓷的重要途径。本文综述了近年来国内外针对Cf改性的各种方法及特点,对Cf/SiC复合材料的3D打印成型及其高效制备方法进行归纳总结。     

环氧树脂/短切碳纤维复合材料性能研究

制备出了短切碳纤维增强TDE-85环氧树脂复合材料,研究了碳纤维的含量对复合材料力学性能和耐热性能的影响。结果表明,碳纤维的加入有利于复合材料力学性能和耐热性能的提高,并在碳纤维含量为0.25%时,复合材料的拉伸强度、冲击韧性、弯曲强度和弯曲模量达到最大,分别提高了29.33%、25.31%、30.28%和68.93%。此外,对复合材料的弯曲断裂面进行了微观形貌分析,结果表明一定量的碳纤维可以较好地分散在树脂基体中,同时,碳纤维原丝和树脂基体的界面结合比较弱,主要依赖于两相之间的物理嵌合。     

碳纤维布/玻纤布增强聚氨酯复合材料的研究

以聚氨酯为基体树脂,分别以碳纤维布、玻璃纤维布和这两种纤维布交替铺叠作为增强材料,采用真空辅助灌注成型工艺制备了4种复合材料.考察了纤维布的铺层结构对复合材料的弯曲、拉伸和冲击性能的影响.结果显示,复合材料的拉伸模量和弯曲模量随碳纤维含量增加而增加,冲击强度则降低.分别采用TGA、DMA和SEM对复合材料的热性能、界面...     

纤维增强CFP/PPS复合材料的制备与性能表征

以碳纤维(CF)和碳纤维粉末(CFP)为导电基体,制备出导电聚苯硫醚(PPS)复合材料。研究了复合材料的形貌、导电及力学性能。结果表明,CFP能很好地分散在PPS复合材料内部,复合材料的表面电阻可达到103Ω。同纯PPS复合材料相比,导电性能增加了四个数量级;一定范围内的CFP可以提高PPS复合材料的拉伸强度和冲击强度;CFP含量过多时,复合材料内部因发生团聚而力学性能下降。     

短切CF增强TPEE热塑性复合材料的注射成型及力学性能研究

以热塑性聚酯弹性体(TPEE)为基体材料,8 mm短切碳纤维(CF)为增强材料,制备CF/TPEE复合材料。材料通过双螺杆挤出系统混合塑化、挤出造粒后,再经过注塑成型制备成标准拉伸试样,通过力学性能测试及微观结构观察,系统研究了碳纤维含量和等离子表面处理对CF/TPEE复合材料拉伸性能的影响。结果表明,当碳纤维含量为20%时,CF/TPEE复合材料的拉伸强度最大,为39.08 MPa;相比于纯TPEE,其拉伸强度提高了217%;经过等离子表面处理后,拉伸强度进一步提高了5%。结合拉伸后断面的SEM图发现,注塑试样表层碳纤维取向度高,而近中区和中心层取向度相对较低,这是注射CF/TPEE复合材料拉伸性能提高效应不明显的主要原因。     

Effect of carbon nanotubes grown temperature on the fracture behavior of carbon fiber reinforced magnesium matrix composites: Interlaminar shear strength and tensile strength

The design of an interfacial structure is particularly important for load transfer in composites. In this paper, different amounts of carbon nanotubes (CNTs) were grafted onto the carbon fiber (CF) surface by adjusting grown temperature using injection chemical vapor deposition (ICVD). The prepared CF preform grafted with CNTs (CNTs-CF) were used to reinforce magnesium alloy by squeeze casting process. The microstructures were analyzed by means of optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM), and the interlaminar shear strength (ILSS) and tensile strength of the composites were determined by double-notch shear test and tensile test. The results indicated that moderate ILSS was more conducive to improving the tensile properties of carbon fiber reinforced magnesium matrix (C_f/Mg) composites. Compared with C_f/Mg, the tensile strength of composite with CNTs increased by about 80%. For C_f/Mg composites grafted with CNTs, CNTs had the effects of delaying crack propagation and increasing energy consumption by the pull-out and bridging mechanism, which were the main reasons for improving the strength. The analysis of shear fracture surface showed that the crack propagation path can be optimized by adjusting the amounts of grafted CNTs. The presence of CNTs affects the stress distribution and consequently the crack initiation as well as the crack propagation.     

短碳纤维增强铝基复合材料

通过化学镀再电镀的方法,在碳纤维表面镀上Cu镀层,制备C/Cu复合丝,并在硼酸的保护下,利用非真空条件下的液态机械搅拌法制备短碳纤维增强铝基复合材料,研究了碳纤维在复合材料中的分散程度,铜镀层存在状态及C/Al复合材料的拉伸性能.实验结果表明：在硼酸存在下,大大降低了铜的氧化程度,碳纤维分散均匀且没有损伤,少量硼酸的加入,对复合材料的力学性能没有影响,该复合材料的抗拉强度随碳纤维含量的增加而增加,其抗拉强度较基体材料提高50%以上,但塑性指标却明显下降.     

T700碳纤维/环氧树脂复合材料热降解实验研究

针对T700碳纤维增强环氧树脂复合材料的热降解行为以及回收所得碳纤维的力学性能进行了研究。研究结果表明,碳纤维的存在增加了环氧树脂降解时所需的活化能,热降解反应的温度、时间和气氛等因素对环氧树脂基体降解效果以及回收碳纤维力学性能均有影响。在空气条件下500℃处理30 min后碳纤维表面没有残留物,但其回收纤维的拉伸强度保留率仅为77.6%。通过首先在氮气气氛高温短时热处理,再在空气气氛下450℃进行30 min热降解的两步法处理后,碳纤维表面残炭得到去除,回收碳纤维的拉伸强度保留率达到了90.4%,由其制备单向复合材料的层间剪切强度保留率可达到75.8%。     

后处理温度对EP/CF复合材料拉伸性能影响

采用模压成型工艺和拉挤工艺制备了加捻碳纤维增强环氧树脂(EP/CF)复合材料,利用微机控制电液伺服万能试验机和扫描电子显微镜研究了不同后处理温度对EP/CF复合材料的拉伸性能和断面微观形貌的影响。研究表明,相对于高温后处理下的EP/CF复合材料,室温后处理下的EP/CF复合材料的拉伸强度较优,其拉伸强度接近890 MPa;而随着后处理温度的升高,EP/CF复合材料的截面和表面显微硬度值呈先上升后下降趋势,当后处理温度为150℃时,其硬度值最优。随着后处理温度的上升,样品的断面形态由撕拉态变为剪切状态,整个断面转变为脆性断面,EP与CF之间的界面变差。较优后处理工艺为低温后处理;同时,常温固化剂下的EP和CF体系选择后处理工艺优化时,后固化温度应接近固化体系温度进行优化处理。     

Mechanical and morphological properties of carbon fiber reinforced–modified epoxy composites

Epoxy, prepared through aminomethyl 3,5,5‐trimethylcyclohexylamine hardening of diglycidylether of bisphenol‐A (DGEBA) prepolymer, toughened with polycarbonate (PC) in different proportions, and reinforced with carbon fiber, was investigated by differential scanning calorimetry, tensile and interlaminar shear strength testing, and scanning electron microscopy (SEM). A single glass transition temperature was found in all compositions of the epoxy/PC blend system. The tensile properties of the blend were found to be better than that of the pure epoxy matrix. They increased with PC content up to 10%, beyond which they decreased. The influence of carbon fiber orientation on the mechanical properties of the composites was studied, where the fiber content was kept constant at 68 wt %. Composites with 45° fiber orientation were found to have very weak mechanical properties, and the mechanical properties of the blend matrix composites were found to be better than those of the pure epoxy matrix composites. The fracture and surface morphologies of the composite samples were characterized by SEM. Good bonding was observed between the fiber and matrix for the blend matrix composites. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 101: 3529–3536, 2006