基于3D打印技术的夹层结构纤维增强复合材料制备及性能研究

作     者：宋星 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田伟;祝成炎

授予年度：2019年

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

主      题：3D 打印 波纹夹层结构 芳纶纤维改性 弯曲强度 冲击强度 超声波无损检测 

摘      要：夹层结构作为一种轻质、高强的高性能结构被广泛应用于航空航天、建筑、军事等领域。低成本、高性能、低能耗是现代先进制造技术的发展方向,夹层结构虽然可以通过夹芯结构的设计达到轻质、高强的效果,但其制备过程存在工艺链较长、产品可设计性差、能耗较高等问题。传统材料加工采用减法制造或等材制造,通过切割工具或模具对原有材料进行加工得到产品,存在原料利用率低、可设计性差等缺点。3D打印又称为增材制造技术、采用逐层堆积、增加材料的原理实现产品从无到有的,能够实现三维实体的制造,具有设计灵活、成型较快的特点,能够有效弥补夹层结构在制备过程中存在的问题。但3D打印技术受打印材料的限制,也存在打印产品力学性能较差的缺点,为解决3D打印力学性能较差的问题,目前最广泛的做法是在3D打印材料中加入增强纤维制备纤维增强复合材料,提高材料的力学性能。本文采用高性能的芳纶纤维作为增强体,3D打印耗材聚乳酸(PLA)作为基体通过熔融沉积(FDM)3D打印技术制备纤维增强夹层结构复合材料,并通过磷酸改性、硅烷偶联剂改性(KH-560)改善芳纶纤维与PLA基体的结合效果,提高材料的力学性能。研究FDM打印参数对纯PLA制备波纹夹层结构、纤维增强PLA波纹夹层结构力学性能的影响,探讨改性剂的浓度对试样力学性能的影响并对试样界面进行测试表征。此外,通过超声波无损检测技术对3D打印材料进行缺陷分析,研究各打印条件下,材料的缺陷类型和均匀程度。主要结论如下:(1)纯PLA打印时,各打印参数对试样的堆积及力学性能影响如下:打印层高增加时,各层的堆积效果逐渐变差,各层之间的孔隙逐渐变大,试样的力学性能逐渐下降;打印温度升高时,试样的力学性能呈现先增加后减小的趋势,当打印温度为210℃时,在本文研究范围内,试样的力学性能最好;随着打印速度的增加,试样表面PLA的堆积效果逐渐变差,试样的力学性能有一定的下降。(2)加入增强纤维后,打印速度对纤维与PLA基体的结合效果影响较大,随着打印速度的提高,纤维与PLA基体的结合效果逐渐变差,纤维未被PLA基体完全包覆。在选取本研究最优打印速度(40 mm·s)的基础上,打印层高与打印速度对试样的力学性能影响规律与纯PLA打印大致相同。(3)芳纶纤维经过改性处理后,纤维表面形貌、大分子链基团、拉伸强力都会产生一定变化。经过磷酸与硅烷偶联剂改性处理,随着处理剂浓度的增加,纤维的形貌改变逐渐加剧,当处理剂的浓度过高时(磷酸:40%,硅烷偶联剂:20%),纤维表面形貌已明显改变;随着处理剂浓度的增加,芳纶纤维的拉伸强力逐渐下降;经过磷酸与硅烷偶联剂的改性处理,芳纶纤维大分子链会接枝一定的官能团。(4)将改性后的芳纶纤维与PLA基体复合制备波纹夹层结构复合材料。随着改性剂浓度的增加,试样的力学性能呈现先增加后减小的趋势,这与纤维改性的效果规律大致相同。(5)使用超声波无损检测技术对3D打印材料进行无损检测分析。纯PLA打印时,试样的缺陷类型主要是孔隙与疏松结构,加入芳纶纤维后,缺陷程度增大,对芳纶纤维进行改性后,试样的孔隙缺陷会在一定程度上下降。