3D打印CCF/PA6复合材料：微观孔隙对力学性能的影响

供稿人:张亚园、田小永
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

连续纤维具有优异的比强度和刚度，采用熔融沉积成型(FDM)方法生产连续碳纤维复合材料解决了用相同工艺生产的纯树脂或短纤维增强树脂基复合材料力学性能较低的问题。然而，该技术的一个关键问题在于纤维之间存在微小孔隙，孔隙的存在严重影响了复合材料的力学性能。目前，澳大利亚悉尼大学研究团队开展了孔隙率对3D打印连续纤维增强树脂基复合材料力学性能影响的量化研究。

本研究使用Mark Forged 公司生产的Mark Two桌面级台式打印机，所使用的原材料是该公司所提供的CCF/PA6预浸料，涉及横向拉伸、纵向拉伸、三点弯曲以及Ⅰ型层剪断裂韧性四种力学性能，并将试样进行热压处理来对比说明孔隙率对复合材料力学性能的影响。

图1. 通过micro-CT观察CCF/PA6复合材料的典型形貌：a）样件的整体微观形貌b）在某一处重建的横截面内部形貌

通过观察图1我们可以发现，基于FDM方式制备的连续纤维增强树脂基复合材料的内部分布着大量孔隙，且分布不均匀，孔隙率范围在10.3%-14.3%之间，结果远高于传统方式制备的复合材料层合板。同时还可以发现，这种方法所制备的复合材料存在明显的纤维起皱和折断现象，尤其是在需要连续纤维做急转弯的情况下，这也是影响复合材料发挥优异性能的重要因素之一。

为了量化孔隙对CCF/PA6复合材料力学性能的影响，采用热压方法对复合材料样件进行后处理，图2显示了两种情况下CCF/PA6复合材料的典型横截面形貌。采用热压处理的复合材料中孔隙明显减少，孔隙率值从11%减少到3.4%。热压处理使得样件厚度减小，层与层之间结合更紧密，从而使得复合材料的整体孔隙率有所下降。

图2. 通过micro-CT观察CCF/PA6复合材料的典型横截面：a）未热压处理b）热压处理

以纵向拉伸性能为例，本研究所制备的复合材料的力学性能普遍很高，并且，经过热压处理后的复合材料的力学性能得到进一步提升，同时应该注意到，虚线代表的是混合定律下复合材料的理论机械性能，所以可以看出，FDM工艺所制备的复合材料的力学性能远不如那些可以使用混合定律评估的工艺所制备的复合材料。其余力学性能也有与纵向拉伸类似的结论。

图3. 不同工艺下连续碳纤维增强树脂基复合材料力学性能对比：a）拉伸强度b）拉伸模量

基于FDM的连续纤维增强树脂基复合材料3D打印技术展现出巨大的潜力，如何有效最小化微观孔隙的形成，提高复合材料综合力学性能，将FDM 3D打印技术实际应用到高性能复合材料的制备当中去是当下及未来的重要发展方向。

参考文献：
He Q, Wang H, Fu K, et al. 3D printed continuous CF/PA6 composites: Effect of microscopic voids on mechanical performance [J]. Composites Science and Technology. 2020, 191: 108077.