西北工业大学高峰教授：FDM增材制造BST/PVDF-ABS复合材料的正交实验研究

来源：复合材料学报
作者：彭铭宇, 刘书航, 魏子尧, 冯晓颖, 卢铭鑫, 李岱恒, 许杰, 高峰*
单位：西北工业大学　材料学院，凝固技术国家重点实验室

目的
钛酸锶钡（BST）/聚偏氟乙烯（PVDF）基功能复合材料因其出色的介电可调性和机械加工特性而引起了学者的广泛关注。然而通过传统的流延成型工艺制备的BST/PVDF复合材料难以成型复杂形状，极大限制了其应用。为解决这一问题，本文采用熔融沉积增材制造工艺（FDM）制备BST/PVDF-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）复合材料，通过正交实验设计探索制备工艺参数对复合材料体积变化率、密度、介电性能和力学性能的影响规律，优化工艺常数。

方法
以20 vol% BST、64 vol% PVDF和16 vol% ABS为原料，首先使用KH550和30wt%H2O2对BST粉体进行表面处理从而改善陶瓷/聚合物的界面相容性。随后将BST粉体与PVDF、ABS通过球磨混合，得到BST/PVDF-ABS复合粉体。将复合粉体放入双螺杆挤出机中，调整挤出参数得到BST/PVDF-ABS复合线材。以复合线材为原料，按照正交实验设计表制备不同工艺参数（打印温度、平台温度、打印速度）的样品，通过正交实验极差分析和方差分析确定优选的工艺参数组合，对优选组别进行介电性能和力学性能测试，从而得到最佳工艺参数。

结果
正交实验结果表明：①对体积变化率的极差分析得出打印参数对体积变化率的影响依次为：打印温度＞打印速度＞平台温度，最佳工艺参数为打印温度为240℃，平台温度为90℃，打印速度为50 mm/s，但方差分析中平台温度和打印速度的均方和都小于误差列，结果也无法证明某一打印参数对体积变化率影响具有显著性。②对相对密度的极差分析得出打印参数对相对密度的影响依次为打印温度＞打印速度＞平台温度，最佳工艺参数为打印温度为240℃，平台温度为80℃，打印速度为30 mm/s，方差分析结果表明打印温度对相对密度影响显著。根据两组正交实验分析结果得出最佳打印温度为240℃，通过对优选组别进行介电性能和力学性能测试确定最佳平台温度和打印速度，结果表明：①相同的打印温度下，打印速度的增加会降低实际打印挤出量，造成样品相对密度下降。②相同的打印温度下，更高的平台温度（100℃）和更低的打印速度（30 mm/s）相互配合，有利于聚合物熔融充分和层间愈合，从而提高材料的介电性能。③对力学性能而言，体积变化率同样十分重要，体积变化率对力学性能的影响主要体现在低的体积变化率往往意味着打印样品具有更规则的尺寸结构，可有效降低拉伸测试过程中因样品翘曲、变形引起的应力集中。

结论
① 通过正交实验设计和极差分析，表明打印温度为240℃时，样品呈现出更高的尺寸稳定性和相对密度，FDM工艺参数的重要度依次为：打印温度＞打印速度＞平台温度。②优化出BST/PVDF-ABS复合材料的FDM最佳制备工艺参数：打印温度为240℃，平台温度为100℃，打印速度为30 mm/s。采用该工艺参数制备出的复合材料介电常数为11.20，介电损耗为0.0138，拉伸强度为35.03 MPa，有望用于航空航天结构-功能一体化可调谐部件。

作者团队简介
第一作者
彭铭宇
彭铭宇，硕士，研究方向为BST/polymer介电复合材料。

通信作者
高峰
高峰，博士，教授，博士生导师，研究方向为有机/无机介电功能复合材料的制备与性能。

引用格式：
彭铭宇, 刘书航, 魏子尧, 等. FDM增材制造BST/PVDF-ABS复合材料的正交实验研究[J]. 复合材料学报, 2025, 42(3): 1644-1652.