热固性短纤维增强聚合物(SFRP)复合材料具有优秀的热稳定性、尺寸稳定性、刚性和耐腐蚀性,是非常有前景的轻质材料,已广泛用于军事,汽车和航空航天工业等领域。目前,主要制备方法为使用片状模塑料(SMC)和块状模塑料(BMC)为原料进行压塑和注塑,生产效率高,产品精度良好,但制备周期长,生产成本高,还难以制造形状复杂的零件。

华中科技大学快速制造中心首次提出了基于粉床激光增材制造(SLS)的碳纤维/环氧热固性树脂的制备成形一体化工艺,能够克服上述缺点,制备的复合材料具有三维连续碳纤维/尼龙(PA12)/树脂(EP)三元结构,并表现出比大多数已报道的SLS材料更高的拉伸和弯曲强度。

其制备过程如图1。第一步,将碳纤维(CF)经表面处理后与PA12混合搅拌,使CF表面涂覆一层薄薄的PA12,得到用于SLS的PA12/CF复合粉末;第二步,采用SLS工艺进行打印:PA12在激光的高温下熔化,起到粘结剂的作用,使CF相互连接,形成网状结构,打印出多孔预制体;第三步,在高温负压条件下,用高性能环氧树脂(EP)浸润预制件;最后,对复合材料进行固化,制备出CF/PA12/EP三元复合材料。从图2.a,b可以看出,经SLS工艺处理后,PA12聚合物粘结剂已完全熔化,将CF连接形成多孔结构,便于后续液体环氧树脂的渗透填充。如图2.c,d所示,填充后,EP基体与CF增强体相互渗透,形成三维连续结构分散。其中,CF表面的PA12聚合物薄涂层有两个作用:(1)在SLS过程中,在激光照射下,作为粘结剂将离散的CF连接成多孔CF预制件;(2)作为中间层,增加CF与EP基体之间的化学相互作用和润湿性。复合粉末中粘结剂PA12的相对含量决定了SLS素坯的初始强度和孔隙率。粘结剂越多,素坯的强度越高,孔隙率越低,渗透到复合材料中的环氧树脂的量越少。研究表明,在足够强度后处理的前提下,使孔隙率最大化的PA12最优含量为25Vol%。