采用螺杆挤压法合成高强度碳纤维增强尼龙6复合材料

供稿人：张倍宁、李涤尘 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

高度通用的熔丝制造(FFF)可以按需制造碳纤维增强塑料(CFRP)的复杂结构，但FFF固有的低流量和相对较低的强度为大规模工业应用带来了主要障碍。在这项工作中，通过将复合材料颗粒直接送入定制的螺杆挤出3D打印机，制造了高强度的PA6-CF复合部件，其CF含量高达35wt%。这项工作研究了CF含量对PA6-CF复合材料流变性能和力学性能的影响，力学试验表明，CF显著提高了3d打印复合材料的强度，获得了最高169.9MPa的拉伸强度。

打印样件的制备过程如下图1所示。将硅烷偶联剂KH792溶液处理过的PA6球团送入台式双螺杆挤出机中，连续的CF丝束通过旋转的双螺杆直接拉入挤出机，以制备PA6-CF复合材料，如图1a所示。制备的PA6-CF复合球团在80℃的除湿机中干燥6小时后，将完全干燥的颗粒送入定制的基于挤压的3d打印系统，如图1b所示。通过拉伸，弯曲和冲击测试中评估了打印复合材料的机械性能，测试尺寸及标准如图1c所示。

图1 制备PA6-CF复合试样的原理图(a)制备PA6-CF颗粒(b)螺杆3D打印机制备PA6-CF复合试样 (c)每次力学试验的尺寸和ASTM标准

打印样件的力学性能测试结果如图2所示。PA6- 25CF的抗拉强度达到169.7 MPa，是纯PA6强度(54.1 MPa)的3.15倍，这种强度目前也是3D打印短碳纤维增强聚合物复合材料中最高的。PA6-25CF的最高杨氏模量达到6.9 GPa。随着CF含量的进一步增加，PA6-35CF的极限强度略有下降，为160.8 MPa，如图2a所示。与拉伸试验类似，当CF含量为25wt%时，其抗弯强度和模量均达到最大值，分别为218.9 MPa和14.14 GPa，如图2b所示。而复合材料的冲击强度随CF含量的增加而单调增加，PA6-35CF冲击强度可达8.89 kJ/m2(图2c)。为了评估PA6高温应用下的固有热稳定性，对PA6- 35CF复合材料的拉伸性能在高温下进行了检测，如图2d所示，断裂应力随着温度的升高而降低。尽管如此，3d打印的PA6-35CF在100℃下仍显示优良的强度(68.5 MPa)，与PLA, ABS和PC在室温下的强度相当。这一发现表明，3d打印的PA6-CF复合材料可能适用于各种高温应用。

用扫描电镜(SEM)对拉伸断裂试样的截面进行了表征(图3)。在PA6-15CF样品(图3a和d)中，几乎所有的CF都很好地嵌入到聚合物基体中。在PA6-25CF(图3b)中，观测到明显更多的CF和拉伸断裂， PA6-25CF的普遍存在以及纤维在拉伸作用下断裂的增加最终导致了PA6-25CF试件的强度和模量的增加。进一步增加CF含量到PA6-35CF(图3c)时，拉出空洞常被扩大的空洞所取代，且CF表面看起来光滑和干净，表明CF与PA6基体浸渍较差。PA6-35CF试件中未浸渍CF的承载能力下降可能是其抗拉强度低于PA6-25CF的部分原因。微观结构表征和力学性能都表明，当CF含量在25 wt %左右时，会产生强化饱和效应，其中由较高CF含量提供的力学改善并不能补偿与内部缺陷相关的结构弱化效应（如较高的孔隙率和较差的浸渍率）。

图2 打印PA6和PA6- CF复合材料的力学性能。(a) 拉伸强度和模量，(b)弯曲强度和模量，(c)冲击强度，(d)高温下的拉伸强度和模量。

图3 拉伸断裂3d打印PA6-CF复合材料试样截面的显微组织 (a) PA6-15CF，(b) PA6-25CF和(c) PA6-35CF。(d) - (f)为每个试件矩形区域的放大视图

在本研究中，使用螺旋挤压3D打印机对高强度PA6-CF复合材料样件进行了制备。结果表明，通过长且均匀分布的CF短纤维增加，可以制备具有相当高抗拉强度的复合材料，最大抗拉强度达到169.7 MPa。该研究表明，利用螺杆挤压方法打印高性能PA6-CF元件具有广阔的潜力，这项研究也为优化印刷工艺和开发新的复合原料提供了广阔的机会。

参考文献：
Li X., He J., Hu Z., et al. High strength carbon-fiber reinforced polyamide 6 composites additively manufactured by screw-based extrusion[J]. Composites science and technology,2022,229.