供稿人:陈锐光、连芩 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2019-05-13
热固性短纤维增强聚合物（SFRP）复合材料具有优秀的热稳定性、尺寸稳定性、刚性和耐腐蚀性，是非常有前景的轻质材料，已广泛用于军事，汽车和航空航天工业等领域。目前，主要制备方法为使用片状模塑料（SMC）和块状模塑料（BMC）为原料进行压塑和注塑，生产效率高，产品精度良好，但制备周期长，生产成本高，还难以制造形状复杂的零件。
华中科技大学快速制造中心首次提出了基于粉床激光增材制造（SLS）的碳纤维/环氧热固性树脂的制备成形一体化工艺，能够克服上述缺点，制备的复合材料具有三维连续碳纤维/尼龙（PA12）/树脂（EP）三元结构，并表现出比大多数已报道的SLS材料更高的拉伸和弯曲强度。
图1. 碳纤维增强热固性复合材料的生产流程
其制备过程如图1。第一步，将碳纤维（CF）经表面处理后与PA12混合搅拌，使CF表面涂覆一层薄薄的PA12，得到用于SLS的PA12/CF复合粉末；第二步，采用SLS工艺进行打印：PA12在激光的高温下熔化，起到粘结剂的作用，使CF相互连接，形成网状结构，打印出多孔预制体；第三步，在高温负压条件下，用高性能环氧树脂（EP）浸润预制件；最后，对复合材料进行固化，制备出CF/PA12/EP三元复合材料。
图2. CF/PA12/EP三元复合材料素坯表面(a,b)和树脂填充后截面(c,d)的SEM图像
从图2.a,b可以看出，经SLS工艺处理后，PA12聚合物粘结剂已完全熔化，将CF连接形成多孔结构，便于后续液体环氧树脂的渗透填充。如图2.c,d所示，填充后，EP基体与CF增强体相互渗透，形成三维连续结构分散。其中，CF表面的PA12聚合物薄涂层有两个作用:(1)在SLS过程中，在激光照射下，作为粘结剂将离散的CF连接成多孔CF预制件；(2)作为中间层，增加CF与EP基体之间的化学相互作用和润湿性。复合粉末中粘结剂PA12的相对含量决定了SLS素坯的初始强度和孔隙率。粘结剂越多，素坯的强度越高，孔隙率越低，渗透到复合材料中的环氧树脂的量越少。研究表明，在足够强度后处理的前提下，使孔隙率最大化的PA12最优含量为25Vol%。
表1. CF/PA12/EP三元复合材料与其他几种SLS制备的聚合物基复合材料的性能对比
表1显示，该方法制备的三元复合材料具有比其他几种SLS制备的聚合物基复合材料更高的拉伸和弯曲强度，分别达到101.03MPa和153.43MPa。
图3.三元复合材料的拉伸断裂面，放大倍数为（a）500×，（b）2000×
由图3.a可见，复合材料表现出典型的脆性破坏行为，断裂表面具有剪切变形的粗糙形态。EP基体的变形和裂缝在不同方向上传播（如箭头所指），裂缝扩展被类似CF / PA12富集域阻挡并被迫改变轨迹，提高了复合材料的断裂韧性和强度。在破坏表面上可以观察到纤维拉拔，界面剥离和基体破坏这三种纤维破坏机制。对比其他几种SLS制备的聚合物基复合材料更高的拉伸和弯曲强度可归因于：（1）CF的均匀分布；（2）由机械联锁和化学相互作用引起的CF和EP之间良好的界面结合，如图3.b。