短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析

作     者：王福吉 王公硕 王洪全 付饶 吴博 王琦 WANG Fuji;WANG Gongshuo;WANG Hongquan;FU Rao;WU BoWANG Qi

作者机构：大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室大连116024 大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室大连116024 

出 版 物：《机械工程学报》 (Journal of Mechanical Engineering)

年 卷 期：2024年第60卷第11期

页      面：283-295页

核心收录：

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金重点(52130506,52090053) 大连市顶尖及领军人才(2021RD08)资助项目 

主　　题：短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料 预浸线材 3D打印 浸渍程度 抗拉性能 

摘      要：碳纤维增强热塑性复合材料3D打印技术,是实现先进复合材料复杂结构件一体化制造的有效途径。由于短纤维不连续、连续纤维间基体的载荷传递能力弱,3D打印短或连续碳纤维等单一形态纤维增强热塑性复合材料的力学性能提升进入瓶颈期。发展短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料(Short-continuous carbon fiber synchronous reinforced thermoplastic composites,S/C-CFRTP)3D打印技术,是突破复合材料复杂结构件高质量制造技术瓶颈的重要途径。然而,由于含短纤维的基体熔融黏度大、3D打印温压时变性强,现有原位浸渍工艺难以保证基体对连续纤维的充分浸渍,导致3D打印S/C-CFRTP力学性能较差,无法满足工程应用需求。提高纤维-基体浸渍程度是实现S/C-CFRTP高质量3D打印的关键。基于离线浸渍方法,提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。研究了同步增强预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响,提出了“混合-浸渍-定形工艺路线、“小制丝速度-大出口直径工艺参数的预浸线材高质量制造策略,其抗拉强度达448.70 MPa。同时,通过对比不同打印工艺成形样件的空隙、纤维含量和抗拉性能,发现预浸线材挤出工艺将S/C-CFRTP的空隙率降低近一半,纤维含量提高约7%,抗拉强度和模量提升约18.6%和11.6%,达约430.45 MPa和38.51 GPa。