3D打印碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能研究

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姜鑫，胡福文

（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）

摘要：陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐磨、耐腐蚀等优良特性，具有广泛的应用前景。基于陶瓷浆料挤出的自由挤出成型工艺是复杂陶瓷制件成型的重要发展方向。同时，对陶瓷材料的增强改性亦是目前研究的热点问题。选用短切碳纤维作为增强相改性陶瓷浆料，通过自由挤出成型工艺成型陶瓷构件。使用长度为0.3 mm的短切碳纤维作为增强相制备混合浆料。通过陶瓷浆料3D打印机打印成型坯体，坯体成型后用热风辐射干燥。充分干燥后的坯件经过烧结，得到致密度较高的陶瓷制件。通过压缩试验对制得的试验件进行性能研究。分析得到，随着纤维含量的增加，试验件断裂韧性有所提升。制得的碳纤维含量为5 wt.%的试验件表现出更好的断裂韧性性能。

关键词：纤维增强；陶瓷基复合材料；3D打印；力学性能

中图分类号：TB 301 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2018) 04-026-04工业技术创新 URL : http: //https://www.360docs.net/doc/0d14846092.html, DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.005

引言

陶瓷材料具有耐高温、高强度、低密度等优异性能，在工业制造、航空航天、生物医疗等领域有着广泛应用潜力[1]。但是，陶瓷材料的脆性较大、可靠性差等缺陷又阻碍了其实用化，严重限制了其在承载力、可靠性要求高的技术领域中的广泛应用[2]。因此，需要对其进行增强改性处理。随着3D 打印技术的发展及工程应用的需求，纤维增强复合材料的3D 打印备受关注[3]。

Soydan Ozcan 等研究人员采用长度为0.2~0.4 mm 的短切碳纤维作为增强相[4]，在220℃条件下将其与ABS 树脂混合，分别制备出质量分数为10、20、30、40 wt%的碳纤维增强ABS 丝材。实验结果表明，其拉伸强度提高15%，而模量提高600%。中南大学肖路军等[5]以3D 打印多孔PLA 结构为基体，制备碳纤维增强碳化硅三维网状多孔陶瓷复合材料。性能测试结果表明，随着打印件的骨架直径的增大，所制备的多孔陶瓷复合材料的孔隙率逐渐减小，而其表观密度、骨架密度、压缩强度、导热系数逐渐增加。哈工大何培刚等[6]采用机械搅拌法制备了短碳化硅纤维增强铝硅酸盐聚合物复合材料。结果表明，长度为5 mm 且含量为2.0%（体积分数）的复合材料力学性能最优，并表现出韧性断裂特征。

综合分析，采用长纤维来增强增韧陶瓷基复合材料的工艺复杂、技术难度大、制造成本较高；以短切纤维

作为增韧体的陶瓷基复合材料可解决长纤增强材料中的各向异性问题，并且不需要纤维编织及缠绕，制备工艺简单、成本相对较低[7]。此外，碳纤维的高温性能非常好，且具有比强度高、比模量大等优点，被广泛用于复合材料的增强材料[8]。用碳纤维等改性不仅能够提高力学性能，而且在热稳定性等方面有改善作用[9]。

1 实验平台及材料

1.1 打印平台

陶瓷材料挤出成型过程的关键机构大致有三：打印喷嘴的运动机构、陶瓷浆料的输送机构、陶瓷浆料的挤出机构[10,11]。本文选用活塞式料筒作为送料机构，螺杆机构作为挤出成型主体挤出机构。工作方式为利用气压推动料筒活塞运动，将料筒中的陶瓷浆料经由输送管道送达挤出装置，再利用螺旋绞刀的推力，使得浆料经由打印喷嘴挤出。浆料挤出的同时，配合3D 打印机的三维运动，从而打印出指定零件。图1所示为搭建完成的陶瓷3D 打印平台整体结构。

1.2 混合浆料制备

陶瓷材料的原材料通常由陶土或高岭土制得。原材料通常经过混合搅拌、捏合（练泥）和排出气体等几个步骤。对于含短切碳纤维的混合浆料来说，由于短切纤维易于堆积成束，堵塞打印喷嘴，所以选用的纤维不宜较长，且混合要足够充分，避免纤维堆积，