東北林業(yè)大學(xué):選區(qū)激光燒結(jié)聚醚砜樹(shù)脂/碳纖維/炭黑復(fù)合材料的性能研究
選擇性激光燒結(jié)(selected laster sintering,SLS)技術(shù)是一種基于粉末材料的增材制造技術(shù),由于SLS技術(shù)在制造零件時(shí)不需要支撐結(jié)構(gòu),材料利用率高并且能夠獲得復(fù)雜形狀制件等優(yōu)點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和生物醫(yī)療等行業(yè)。
高分子材料是最早引入激光燒結(jié)中的工程材料,具有質(zhì)輕價(jià)廉、成形性能好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)研究人員通過(guò)添加碳系、金屬和金屬氧化物等導(dǎo)電填料減少高分子材料的靜電吸附危害,應(yīng)用于電子器件和傳感器等領(lǐng)域;相比于金屬及其氧化物,炭黑、石墨等碳系填料具有來(lái)源廣泛,成本低廉,性能優(yōu)異等特點(diǎn)被廣泛用于復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的制備。
具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性高分子材料PES,具有良好的成形性能和可重復(fù)利用等特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)選其為選擇性激光燒結(jié)的基體材料。本課題組前期對(duì)PES/CF復(fù)合粉末和PES/CB復(fù)合粉末進(jìn)行了激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,由于碳系填料自身的特性,單一碳系填料的聚醚砜樹(shù)脂基復(fù)合材料激光燒結(jié)件難以獲得優(yōu)異的綜合性能。比如,單一填料CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %時(shí),對(duì)PES/CF燒結(jié)件的力學(xué)性能具有增強(qiáng)的作用,但不能形成導(dǎo)電通路,若使PES/CF燒結(jié)件內(nèi)部形成導(dǎo)電通路需添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 %的CF,此時(shí)會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)件力學(xué)性能的大幅下降;單一填料納米級(jí)的CB粉末作為填料的PES/CB激光燒結(jié)件具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,但隨著CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加,燒結(jié)件的力學(xué)性能受到削弱。相關(guān)研究表明,CF可以在CB形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中起到“橋接”的作用,使得復(fù)合材料在增強(qiáng)力學(xué)性能的同時(shí)具有更好的導(dǎo)電性能。
本文選取CB和CF作為混雜填料,PES作為基體,研究CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時(shí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~3 %CF的添加對(duì)燒結(jié)件的顯微組織、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和表面質(zhì)量的影響。期望獲得成本低廉、綜合性能較好的PES/CF/CB復(fù)合粉末用于抗靜電領(lǐng)域,同時(shí)進(jìn)一步拓寬激光燒結(jié)材料種類。
l 制樣過(guò)程
本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波分散后CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時(shí),PES/CB激光燒結(jié)件內(nèi)部初步形成導(dǎo)電通路,本實(shí)驗(yàn)設(shè)定CB粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %,通過(guò)添加0~3 %不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CF,研究CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于PES/CF/CB燒結(jié)件力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響。在本課題組前期研究的基礎(chǔ)上,設(shè)定本實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)為預(yù)熱溫度80 ℃、激光功率15 W、掃描速度2000 mm/s、分層厚度0.1 mm和掃描間距0.1 mm。
本實(shí)驗(yàn)按照CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %,CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5 %、1 %、1.5 %、2 %、2.5 %和3 %的配比制備PES/CF/CB復(fù)合粉末,具體步驟如下:將經(jīng)過(guò)超聲波分散的CB/無(wú)水乙醇懸濁液與CF和PES粉末充分混合后放入恒溫干燥箱中干燥16 h,溫度設(shè)置為45 ℃,干燥過(guò)程中每隔2 h對(duì)復(fù)合粉末翻動(dòng)一次。利用高速混合機(jī)對(duì)烘干后復(fù)合粉末進(jìn)行混合處理,最后將混合后的復(fù)合粉末進(jìn)行篩分,得到均勻混合的不同實(shí)驗(yàn)組PES/CF/CB復(fù)合粉末。
l 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征
采用電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)參照GB/T 1040.1—2018和GB/T 9341—2008對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和3點(diǎn)彎曲試驗(yàn),拉伸速率和彎曲速率均為5 mm/s,試樣尺寸分別為150 mm×10 mm×4 mm和80 mm×10 mm×4 mm,每組測(cè)試5個(gè)試樣;
采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)參照GB/T 1843—2008對(duì)沖擊試樣進(jìn)行測(cè)試,試樣類型為無(wú)缺口試樣,沖擊能量2J,沖擊跨距62 mm,每組測(cè)試5個(gè)試樣;
采用四探針測(cè)試儀參照GB/T 15738—2008對(duì)彎曲試樣進(jìn)行電阻率(ρ)的測(cè)定,并根據(jù)公式σ=1/ρ計(jì)算燒結(jié)件電導(dǎo)率σ;
試樣斷口噴金后采用SEM對(duì)試樣斷口進(jìn)行顯微組織觀察;
利用粗糙度測(cè)試儀對(duì)燒結(jié)件的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量,每組測(cè)量5個(gè)試樣。
l CF對(duì)燒結(jié)件顯微組織的影響
圖1為不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口的SEM照片。圖1(a)為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的PES/CB燒結(jié)件拉伸斷口SEM照片,可見(jiàn)燒結(jié)件內(nèi)部有孔隙和燒結(jié)頸的存在。圖1(b)為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %時(shí)PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口形貌,燒結(jié)件拉伸斷口處可見(jiàn)嵌入PES中的CF以及CF拔出孔洞,CF被PES較為充分的包覆。圖1(c)為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %時(shí)PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口形貌,可見(jiàn)較多拔出的CF以及CF拔出孔,CF在PES中的取向呈現(xiàn)隨機(jī)分布,在斷面上可以發(fā)現(xiàn)不同角度的CF,CF與PES的界面結(jié)合情況較好。圖1(d)為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時(shí)PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口形貌,可見(jiàn)有完全裸露的CF出現(xiàn)以及CF聚集的現(xiàn)象,這是由于增加了較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CF使得基體PES含量不足,導(dǎo)致只有部分CF被較為充分地包覆,燒結(jié)件內(nèi)部孔隙增多,致密程度變差。
圖1 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)燒結(jié)件的拉伸斷口SEM照片
l CF對(duì)燒結(jié)件力學(xué)性能的影響
圖2所示為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0增加到3 %時(shí)PES/CF/CB燒結(jié)件的力學(xué)性能變化曲線。由曲線可以看出,CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加,PES/CF/CB燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì),但PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度變化不大,分別在7.248~7.713 MPa和11.825~13.275 MPa之間。當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %時(shí),PES/CF/CB燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均高于未添加CF時(shí)PES/CB燒結(jié)件,達(dá)到本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大值分別為7.713、13.275 MPa和1.1 kJ/m2。
圖2 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)燒結(jié)件的力學(xué)性能變化曲線
結(jié)合SEM照片及力學(xué)性能變化曲線分析,當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %時(shí)相較于未添加CF時(shí)的燒結(jié)件,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均出現(xiàn)小幅下降。這是由于少量CF的添加,對(duì)燒結(jié)件力學(xué)性能的提升不足以彌補(bǔ)纖維狀的CF與納米級(jí)的CB因結(jié)構(gòu)上較大差異而在燒結(jié)件內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷,導(dǎo)致燒結(jié)件力學(xué)性能受到削弱。由圖3可以看出,當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %時(shí),拔出的CF表面黏結(jié)有PES,表面粗糙,CF被PES較為充分地包覆,界面結(jié)合情況良好,CF與PES之間的機(jī)械嚙合情況較好,使得燒結(jié)件的力學(xué)性能得到了小幅提升。
隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,一方面能夠使復(fù)合材料形成更加完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),具有更加優(yōu)異的導(dǎo)熱能力,使PES基體在激光燒結(jié)過(guò)程中可以更均勻地受熱,使得PES熔融更加充分更好地包覆CF,減少了燒結(jié)件內(nèi)部殘余應(yīng)力;另一方面由于CF的較大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu),當(dāng)CF由PES基體中拔出時(shí)需要克服基體對(duì)CF的黏結(jié)力,吸收了外界能量。CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5 %時(shí),CF對(duì)燒結(jié)件力學(xué)性能產(chǎn)生的有益效果彌補(bǔ)了CF和CB因結(jié)構(gòu)的差異而在燒結(jié)件內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷,使得PES/CF/CB燒結(jié)件力學(xué)性能得到提升。隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加,PES基體的進(jìn)一步減少,燒結(jié)件力學(xué)性能又出現(xiàn)小幅下降,這是由于基體PES不足以充分包覆全部CF,部分CF出現(xiàn)聚集,當(dāng)受外力時(shí)造成燒結(jié)件內(nèi)部局部應(yīng)力集中并使集中處成為斷裂源,導(dǎo)致燒結(jié)件力學(xué)性能的下降。
對(duì)于沖擊強(qiáng)度而言,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度主要與PES基體在沖擊過(guò)程中吸收沖擊能量的多少有關(guān),吸收能量越多沖擊強(qiáng)度越大。當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),CF和CB在基體中產(chǎn)生缺陷,導(dǎo)致了沖擊強(qiáng)度的下降;隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,CF從PES基體拔出時(shí)也會(huì)吸收部分沖擊能量,使得復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度有所提升;當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),PES基體不足,部分CF聚集,燒結(jié)件內(nèi)部致密程度下降,因此沖擊強(qiáng)度又逐漸下降。
l CF對(duì)燒結(jié)件導(dǎo)電性能的影響
圖4所示為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0增加到3 %時(shí)PES/CF/CB燒結(jié)件的導(dǎo)電性能變化曲線。由曲線可以看出,CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加,PES/CF/CB燒結(jié)件的電阻率呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì),燒結(jié)件的電阻率從191.03 Ω•m下降至65.89 Ω•m;電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì),燒結(jié)件的電導(dǎo)率從5×10-3 S/m提高至15×10-3 S/m。
圖4 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)燒結(jié)件的導(dǎo)電性能變化曲線
根據(jù)導(dǎo)電性能變化曲線分析,在未加入CF時(shí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的CB在PES基體中形成了較為完整的導(dǎo)電通路,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的近程導(dǎo)電。復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與基體中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成密切相關(guān)。CF的添加,具有較大長(zhǎng)徑比的CF可以對(duì)相鄰的CB導(dǎo)電通路起到“橋接”作用,使燒結(jié)件中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加完整,并且游離的電子可以沿著CF長(zhǎng)度方向發(fā)生運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的遠(yuǎn)程導(dǎo)電。
當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %~2 %時(shí),CF相對(duì)較少,CF之間基本上不存在“導(dǎo)電通道”,主要是CF對(duì)已有CB導(dǎo)電通路的“橋接”作用,完善了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),從而使得燒結(jié)件電阻率的下降。當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時(shí),如圖1(d)所示,可以看到CF聚集的現(xiàn)象,CF之間的直接接觸保證了PES/CF/CB激光燒結(jié)件的電阻率持續(xù)下降的趨勢(shì)。
可見(jiàn),燒結(jié)件電阻率的下降是由上述多種因素共同影響的結(jié)果:一方面是由于CF對(duì)已有CB導(dǎo)電通路的“橋接”作用,在PES基體中形成了由CF和CB組成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);另一方面是由于部分CF在PES基體中形成了直接接觸。因此,本實(shí)驗(yàn)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加增強(qiáng)了PES/CF/CB復(fù)合材料燒結(jié)件的導(dǎo)電性能。
l CF對(duì)燒結(jié)件表面質(zhì)量的影響
圖5所示為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0增加到3 %時(shí)PES/CF/CB燒結(jié)件表面粗糙度的變化曲線。曲線表明,隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PES/CF/CB燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值不斷增大,燒結(jié)件表面變得粗糙。在未加入CF時(shí),PES/CB燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值為13.416 μm,隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3 %,PES/CF/CB燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值上升至15.936 μm。
圖6為不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)件的表面形貌。圖6(a)為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí),PES/CB燒結(jié)件表面有較多孔洞;圖6(b)為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時(shí),PES/CF/CB燒結(jié)件表面孔洞數(shù)量增加,并且有裸露的CF存在,燒結(jié)件表面變得更加粗糙。這說(shuō)明CF的添加對(duì)PES/CF/CB燒結(jié)件表面質(zhì)量有不利影響。
圖5 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)件的表面質(zhì)量變化曲線
圖6 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)燒結(jié)件的表面形貌
結(jié)合表面粗糙度值變化曲線和燒結(jié)件表面形貌照片分析,隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PES/CF/CB燒結(jié)件表面質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢(shì),這是因?yàn)槔w維狀CF的加入使得復(fù)合粉末流動(dòng)性下降,粉末層表面鋪粉不平整,從而導(dǎo)致燒結(jié)件的表面質(zhì)量下降。此外,由于CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,限制了燒結(jié)過(guò)程中聚醚砜樹(shù)脂的熔融流動(dòng),隨著基體PES進(jìn)一步減少,使得基體不能很好地包覆填料,從而燒結(jié)件表面留有孔隙,導(dǎo)致燒結(jié)件表面越來(lái)越粗糙,表面質(zhì)量變差。
(1) 1.5 %CF的添加對(duì)PES/CF/CB復(fù)合粉末燒結(jié)件的力學(xué)性能具有一定的增強(qiáng)作用,PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均高于未添加CF時(shí)PES/CB燒結(jié)件,達(dá)到本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大值分別為7.713、13.275 MPa和1.1 kJ/m2。
(2) CF的添加,在一定程度上增強(qiáng)了PES/CF/CB激光燒結(jié)件的導(dǎo)電性能,燒結(jié)件的電阻率從191.03 Ω•m下降至65.89 Ω•m;燒結(jié)件的電導(dǎo)率從5×10-3S/m提高至15×10-3S/m。
(3) PES/CF/CB激光燒結(jié)件表面質(zhì)量隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸變差,燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值由13.416 μm上升至15.936 μm。
DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.003
引用本文:
陳暉,孫玲勝,錢(qián)偉棟等.選擇性激光燒結(jié)聚醚砜樹(shù)脂/碳纖維/炭黑復(fù)合材料的性能研究[J].中國(guó)塑料,2023,37(09):14-18.
(責(zé)任編輯:admin)
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