碳纤维增强热塑性复合材料相关技术的发展情况

连续碳纤维增强方式的应用



在复合材料中使用纤维增强体的原理是:增强纤维一般都比基体材料更耐磨、强度更大,力学性能也更好,当复合材料面对弯曲或剪切破坏时,增强体纤维就会从基体中拔出,在拔出的同时,也抵消或者吸收了一部分外加载荷带来的能量。在一定长度范围内,一般纤维越长,拔出时吸收的能量就越多,对复合材料的强度贡献越大。而且,对于相同体积含量的复合材料来说,单根纤维越长就意味着纤维根数越少,较少的纤维数量在端部造成的应力集中也就会相应降低,这对复合材料的整体性能都有积极作用。另外,有研究显示,连续性、更长的碳纤维可以提供更多的润滑作用,在这种持续、稳定的润滑作用下,摩擦系数就会减小,磨损量变小,所形成的磨屑也更为细微。

相比国内较为常见的短切碳纤维或碳纤维粉末增强热塑性复合材料产品,无锡智上新材料科技有限公司推出的采用连续碳纤维增强热塑性复合材料制作的产品,其将短切或粉末碳纤维增强热塑性复合材料的性能提升了一大步。这种优势有利于制品在高频率、高载荷运行中提供更稳定、更坚固的功效。目前,采用连续碳纤维增强方式较为成熟的产品包括骨外科外固定支架、瞄准器支架等骨外科医疗器械零部件等。

激光连接技术的应用



受成型模具的限制,复杂的CFRTP构件一般通过多个零部件连接而成,接连接头部位成为整个结构件最薄弱的部分,接头的质量将直接决定 CFRTP 构件的疲劳强度和使用寿命。当前CFRTP最常用的连接方法有机械连接、胶结、焊接等。其中,焊接利用了CFRTP基体材料热塑性树脂二次熔融的特点,通过加热熔融连接界面,使树脂分子扩散完成连接。该方法使连接界面与基体材料有良好的相容性,连接强度和环境适应性优于胶结方法,连接件的应力分布比机械连接更均匀,不会产生应力集中,且焊接工艺时间短,便于实现自动化。

其中,作为一种非接触式的焊接方式,激光焊接具有焊接速度快、焊接强度高、振动应力小、适焊接复杂结构件等优势,在CFRTP的焊接上具有良好的应用前景。近年来,国内外学者对CFRTP激光焊接技术开展了一些探索性研究,主要包括激光穿透焊接技术、激光直接连接技术等。

激光穿透焊接方法能够实现透明树脂之间,透明树脂与CFRTP或不透明树脂之间,以及透明树脂与金属材料之间的焊接(连接)。中科院宁波材料所利用激光直接连接技术实现CFRTP与不锈钢、铝合金之间的连接,通过对不同参数下的连接强度进行对比,对接头断裂面的微观形貌进行测试分析,发现在不锈钢的表面粘结了大量CFRTP树脂基体材料,说明连接强度超过了树脂基体的强度,同时发现在连接接头有气孔及微细裂纹的存在,连接质量还有待进一步提高。

打印连续碳纤维增强热塑性复合材料的新型打印头



目前,基3D打印制备碳纤维增强热塑性复合材料的研究主要围绕短碳纤维增强聚合物,而3D打印连续碳纤维增强聚合物的研究相对较少,且难度较大, 打印出的成品层间粘结性不强,影响结构弯曲性能。

不同于传统 FDM技术打印单一热塑性材料,以聚乳酸(PLA)为热塑性基体材料,以连续碳纤维为增强材料,设计出的可打印连续碳纤维增强热塑性复合材料的新型打印头,由挤出电机、加热块、碳纤维导管和喷嘴等组成。打印时,加热块内的热塑性材料受热融化,碳纤维导管出口处的碳纤维与熔融状态的热塑性材料融合,在挤出电机的推动下,一同从喷嘴挤出并快速固化,粘在打印平台上,同时将连续碳纤维从导管中拉出,实现3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料。

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发布于 2019-06-03