連續(xù)碳纖維增強(qiáng)方式的應(yīng)用

       在復(fù)合材料中使用纖維增強(qiáng)體的原理是：增強(qiáng)纖維一般都比基體材料更耐磨、強(qiáng)度更大，力學(xué)性能也更好，當(dāng)復(fù)合材料面對(duì)彎曲或剪切破壞時(shí)，增強(qiáng)體纖維就會(huì)從基體中拔出，在拔出的同時(shí)，也抵消或者吸收了一部分外加載荷帶來的能量。在一定長度范圍內(nèi)，一般纖維越長，拔出時(shí)吸收的能量就越多，對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)越大。而且，對(duì)于相同體積含量的復(fù)合材料來說，單根纖維越長就意味著纖維根數(shù)越少，較少的纖維數(shù)量在端部造成的應(yīng)力集中也就會(huì)相應(yīng)降低，這對(duì)復(fù)合材料的整體性能都有積極作用。另外，有研究顯示，連續(xù)性、更長的碳纖維可以提供更多的潤滑作用，在這種持續(xù)、穩(wěn)定的潤滑作用下，摩擦系數(shù)就會(huì)減小，磨損量變小，所形成的磨屑也更為細(xì)微。

       相比國內(nèi)較為常見的短切碳纖維或碳纖維粉末增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品，無錫智上新材料科技有限公司推出的采用連續(xù)熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作的產(chǎn)品，其將短切或粉末碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能提升了一大步。這種優(yōu)勢(shì)有利于制品在高頻率、高載荷運(yùn)行中提供更穩(wěn)定、更堅(jiān)固的功效。目前，采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)方式較為成熟的產(chǎn)品包括骨外科外固定支架、瞄準(zhǔn)器支架等骨外科醫(yī)療器械零部件等。

 

激光連接技術(shù)的應(yīng)用

       
       受成型模具的限制，復(fù)雜的CFRTP構(gòu)件一般通過多個(gè)零部件連接而成，接連接頭部位成為整個(gè)結(jié)構(gòu)件最薄弱的部分，接頭的質(zhì)量將直接決定 CFRTP 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。當(dāng)前CFRTP最常用的連接方法有機(jī)械連接、膠結(jié)、焊接等。其中，焊接利用了CFRTP基體材料熱塑性樹脂二次熔融的特點(diǎn)，通過加熱熔融連接界面，使樹脂分子擴(kuò)散完成連接。該方法使連接界面與基體材料有良好的相容性，連接強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于膠結(jié)方法，連接件的應(yīng)力分布比機(jī)械連接更均勻，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，且焊接工藝時(shí)間短，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

      其中，作為一種非接觸式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接強(qiáng)度高、振動(dòng)應(yīng)力小、適焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢(shì)，在CFRTP的焊接上具有良好的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)CFRTP激光焊接技術(shù)開展了一些探索性研究，主要包括激光穿透焊接技術(shù)、激光直接連接技術(shù)等。

      激光穿透焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)透明樹脂之間，透明樹脂與CFRTP或不透明樹脂之間，以及透明樹脂與金屬材料之間的焊接（連接）。中科院寧波材料所利用激光直接連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)CFRTP與不銹鋼、鋁合金之間的連接，通過對(duì)不同參數(shù)下的連接強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)接頭斷裂面的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)在不銹鋼的表面粘結(jié)了大量CFRTP樹脂基體材料，說明連接強(qiáng)度超過了樹脂基體的強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在連接接頭有氣孔及微細(xì)裂紋的存在，連接質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高。
 

打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的新型打印頭
 

       目前，基3D打印制備碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究主要圍繞短碳纖維增強(qiáng)聚合物，而3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物的研究相對(duì)較少，且難度較大， 打印出的成品層間粘結(jié)性不強(qiáng)，影響結(jié)構(gòu)彎曲性能。

       不同于傳統(tǒng) FDM技術(shù)打印單一熱塑性材料，以聚乳酸（PLA）為熱塑性基體材料，以連續(xù)碳纖維為增強(qiáng)材料，設(shè)計(jì)出的可打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的新型打印頭，由擠出電機(jī)、加熱塊、碳纖維導(dǎo)管和噴嘴等組成。打印時(shí)，加熱塊內(nèi)的熱塑性材料受熱融化，碳纖維導(dǎo)管出口處的碳纖維與熔融狀態(tài)的熱塑性材料融合，在擠出電機(jī)的推動(dòng)下，一同從噴嘴擠出并快速固化，粘在打印平臺(tái)上，同時(shí)將連續(xù)碳纖維從導(dǎo)管中拉出，實(shí)現(xiàn)3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。

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