基于SLS的碳纤维_石墨混...聚醚砜树脂烧结件性能的影响_陈晖 (1).pdf

第 51 卷，第 6 期2023 年 6 月工程塑料应用Vol.51，No.6Jun.2023ENGINEERING PLASTICS APPLICATION基于SLS的碳纤维/石墨混杂填料形状对聚醚砜树脂烧结件性能的影响陈晖，谭博，孙玲胜，钱伟栋(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040)摘要：以聚醚砜(PESU)树脂为基体，天然鳞片石墨(GP)和碳纤维(CF)为混杂填料，采用选择性激光烧结技术制备PESU/CF/GP激光烧结件。为避免PESU基体含量变化对烧结件性能带来的影响，控制混杂填料总质量分数为15%，改变混杂填料中CF/GP配比，结合扫描电子显微镜研究混杂填料的含量和形状差异对PESU/CF/GP激光烧结件的显微组织、力学性能、导电性能、密度以及表面粗糙度的影响。结果表明，具有较大长径比结构的CF对烧结件的力学性能具有较好的保障作用，随着CF含量的提高，烧结件的拉伸强度和弯曲强度逐渐提高。混杂填料中片状结构的GP更容易在基体内构成完整的导电网络，随着GP含量的降低，烧结件电阻率逐渐升高，电导率逐渐降低。不规则片状结构的GP对烧结件的致密程度和表面形貌不利，随着CF含量的提高，GP含量的降低，烧结件的密度升高，表面粗糙度值降低。关键词：选择性激光烧结；聚醚砜树脂；碳纤维/石墨混杂填料；力学性能；导电性能中图分类号：TQ324 文献标识码：A 文章编号：1001-3539（2023）06-0129-06Effect of Carbon Fiber/Graphite Hybrid Filler Shape on Properties of Polyethersulfone Resin Sintered Parts based on SLSChen Hui，Tan Bo，Sun Lingsheng，Qian Weidong(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)Abstract：Taking polyethersulfone(PESU)resin as matrix，natural flake graphite(GP)and carbon fiber(CF)as hybrid fillers，PESU/CF/GP laser sintered parts were prepared by selective laser sintering.In order to avoid the influence of PESU matrix content on the properties of the sintered parts，the total mass fraction of hybrid filler was controlled at 15%，and the ratio of CF/GP in hybrid filler was changed.The effects of the content and shape difference of hybrid filler on the microstructure，mechanical properties，electrical conductivity，density and surface roughness of PESU/CF/GP laser sintered parts were studied combined with scanning electron microscopy.The results show that CF with large aspect ratio structure has a good guarantee effect on the mechanical properties of the sintered parts.With the increase of CF content，the tensile strength and bending strength of the sintered parts gradually increase.The GP with lamellar structure in the hybrid filler is easier to form a complete conductive network in the matrix.With the decrease of GP content，the resistivity of the sintered parts gradually increases and the conductivity gradually decreases.The irregular sheet structure of GP is unfavorable to the density and surface morphology of the sintered parts.With the increase of CF content and the decrease of GP content，the density of the sintered parts increases and the surface roughness decreases.Keywords：selective laser sintering；polyethersulfone resin；carbon fiber/graphite hybrid filler；mechanical property；electrically conducting property选择性激光烧结(SLS)技术是目前发展较为迅速的增材制造技术之一，它是基于离散-堆积原理，在三维模型信息的驱动下激光束选择性地将复合粉末烧结成形1。由于其具有成形速度快、打印精doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2023.06.021基金项目：国家自然科学基金项目(52075090)通信作者：陈晖，副教授，主要研究方向为3D打印材料、材料制造学、先进制造技术收稿日期：2023-02-17引用格式：陈晖，谭博，孙玲胜，等.基于SLS的碳纤维/石墨混杂填料形状对聚醚砜树脂烧结件性能的影响J.工程塑料应用，2023，51(6)：129134.Chen Hui，Tan Bo，Sun Lingsheng，et al.Effect of carbon fiber/graphite hybrid filler shape on properties of polyethersulfone resin sintered parts based on SLSJ.Engineering Plastics Application，2023，51(6)：129134.129工程塑料应用2023 年，第 51 卷，第 6 期度高、材料利用率高、可制作常规工艺难以加工的异形件等优点，广泛应用于工业装备、医疗、航空航天等各个行业。用于SLS的材料主要有高分子材料、陶瓷材料、金属及其合金等，其中高分子材料由于具有快速成形、成本低廉、可批量定制等优点成为SLS技术应用较多的材料。由于高分子材料相较于其它材料普遍存在着力学性能较弱、功能性不强等不足，通过向高分子材料中添加微米或纳米材料来增强其力学性能或赋予其导电、导热、光电、阻燃等功能成为了研究热点2，据报道，已有70多种颗粒状、片状以及约15种纤维状材料可以被用作高分子材料的填料3。研究人员发现多种填料的添加能够在聚合物基体中提供更好的协同作用，相比于单一填料的复合材料极大地增强了材料的力学性能和物理性能等，这与共混填料的结构、颗粒几何形状、填料之间的相互作用以及掺量有关。在碳系导电填料方面，具有不同几何形状以及导电性能的碳系填料会产生协同作用，其主要表现在能够于聚合物基体内部形成渗透网络结构以提升导电性能4。在含有碳纤维(CF)和石墨(GP)填料的聚乙烯复合材料中、在微米和纳米填料共混等碳系共混填料(如炭黑/CF以及碳纳米管/CF等)填充聚合物复合材料中都发现了这种由于填料协同作用产生的复合材料导电性能提高现象5-6。在碳系导电填料中，纤维状的CF和片状结构的GP相较于纳米级填料，往往以其较低原材料成本和避免混合过程中纳米填料的团聚现象而更受研究者的青睐。聚醚砜(PESU)作为一种新型的热塑性无定型高分子材料，具有耐腐蚀性能优良、环保和可回收再利用等优点，在近几年常被用于SLS技术的研究。结合本课题组此前对PESU/GP，PESU/CF等单一结构填料的激光烧结实验结果7-8，笔者以PESU为基体，以GP和CF作为混杂填料，研究两种具有不同几何形状的碳系填料对PESU/CF/GP复合粉末烧结件显微组织、力学性能、导电性能、密度以及表面粗糙度的影响。1 实验部分1.1主要原材料CF：T-700，黑色粉末，单丝长度约75 m，直径约7 m，沧州丽阳新材料有限公司；GP：ST-500，灰黑色粉末，平均粒径约为1325 m，东莞市塘厦湘阳石墨制品加工厂；PESU：Y1201P60，粒径6080 m，安徽天念材料科技有限公司。1.2主要仪器及设备高速混合机：2500Y型，永康市铂欧五金制品有限公司；快速成型机：AFS-360型，北京隆源自动成型系统有限公司；电子万能试验机：Byes3003型，上海邦亿精密量仪有限公司；四探针测试仪：RTS-8型，广州四探针科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)：EM-30Plus 型，韩国COXEM公司；表面粗糙度测量仪：TR200型，山东万测检测设备有限公司。1.3试样制备为避免基体含量变化对烧结件力学性能带来影响，确定PESU质量分数为85%，CF/GP混杂填料总质量分数为15%；为保证烧结件导电性能并降低复合粉末成本，将GP设定为主要填料，质量分数控制在10%及以上。将CF以质量分数1%递增的梯度逐渐取代GP，制备1CF14GP，2CF13GP，3CF12GP，4CF11GP，5CF10GP不同组分配比的烧结件。烧结件的制备过程如下：将干燥好的CF，GP和PESU粉末分别按上述配比初步混合后放入高速混合机中进行混合，使用快速成形机制备拉伸和弯曲试样，尺寸分别为 150.0 mm10.0 mm4.0 mm 和 80.0 mm10.0 mm4.0 mm。激光烧结工艺参数设为：激光功率20 W、扫描速度2 000 mm/s，扫描间距0.10 mm，分层厚度0.10 mm，预热温度设定为80。1.4性能测试与表征按照GB/T 1040.1-2006和GB/T 9341-2008对烧结件进行拉伸试验和三点弯曲试验，横梁的位移速度设置为5 mm/min，每组测试5个试样。用导电胶将试样粘在样品台上，将拉伸断面喷金后，使用SEM观察断面微观形貌。使用四探针测试仪参照GB/T 15738-2008测定弯曲试样的表面电阻率s，并根据式(1)计算烧结件的电导率。=1/s(1)通过式(2)计算得到弯曲试样的密度。=m/lwh(2)式(2)中，m，l，w和h分别为试样的质量、长度、130陈晖，等：基于SLS的碳纤维/石墨混杂填料形状对聚醚砜树脂烧结件性能的影响宽度和高度。使用表面粗糙度测量仪在试样表面选取5个局部区域进行表面粗糙度值的测试。2 结果与讨论2.1烧结件的断面形貌图1为混杂填料中不同CF含量下的激光烧结拉伸试样断面形貌。由图1可以看出，随着CF含量增多，GP含量减少，烧结件的显微组织致密程度提高，孔隙数量和孔径的大小明显降低。当CF和GP质量分数分别为1%和14%时(由图1a所示)，PESU对于片状结构的GP的包裹情况较差，两者之间存在着较大的缝隙。这是由于不规则片状结构的GP体积较大且与PESU之间的界面结合状况不佳。当CF质量分数为3%、GP质量分数为12%时(由图1b所示)