连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究

连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点,适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究,研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响,并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面,在不同工艺参数条件下,分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明,当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果,拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。

基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究

本文利用3D打印技术制备了“椭圆形跑道”样件来研究不同纤维角度和纤维层分布对样件机械性能的影响,并通过实验考察各种力学测试中样件的断裂模式。然后基于变密度的拓扑优化理论对三点弯曲梁、C形夹和弹架悬臂进行结构拓扑优化,并通过力学性能实验进行验证。结果表明,在所有的测试中都观察到样件具有各向异性的机械性能,其中纤维方向具有最高的强度和刚度,而跨层方向具有较低的强度和刚度。通过有限元分析和压缩试验表明,经过拓扑优化的连续碳纤维3D打印弹架悬臂结构能够经受住极端运行条件的考验。

基于超声调控浸润性的连续碳纤维复材3D打印研究

为解决3D打印连续碳纤维复合材料(continuous carbon fiber reinforced composites,C-CFRP)成型件内部空隙多、应力集中等缺陷,文章提出了基于熔融沉积技术的超声在线调控打印方法。探究了超声振幅在0μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm时,C-CFRP丝的拉伸性能,以及超声振幅在0μm、20μm时,C-CFRP件的拉伸、弯曲性能;并通过超景深显微镜观测了CCFRP丝的横截面形貌,以及采用扫描电镜观察了C-CFRP件断裂面的微观结构,最后对超声调控熔融树脂浸润纤维进行了机理分析。结果表明:C-CFRP丝的力学性能随着超声振幅的增加,先提高后降低,在20μm振幅作用下,失效载荷值最大,为121 N,比无超声状态下提高了16%;复材件在20μm振幅作用下,比无超声状态下拉伸性能提高了11%,弯曲性能提高了23%,为高性能C-CFRP 3D打印技术的发展提供了参考。

美国赫氏推出24K连续碳纤维新品

2024年3月5日,美国赫氏公司在JEC World复材展上宣布推出新型HexTow■IM924K连续碳纤维,该连续碳纤维适用于航空航天领域的结构件。HexTow■IM924K连续碳纤维是一种中模量小丝束碳纤维产品,平均拉伸强度超6300 MPa,拉伸模量为298 GPa,断裂伸长率为1.9%。该款新品的拉伸强度比目前主攻航空航天高端应用的IM7纤维提高了12%。

连续碳纤维/环氧树脂基复合材料增材制造设备研制

课题利用连续碳纤维与环氧树脂原位浸渍的方法,设计出原位碳纤维增强环氧树脂复合材料增材制造设备。采用龙门架结构作为移动机构,铺丝头承担碳纤维预浸丝的铺放动作。由于设备的结构设计以及其重要机构的强度对设备的铺放精度有着巨大的影响,所以要对铺放设备的关键受力零部件进行静力学分析,确保其设计强度满足设备正常工况下的运行。实验结果表明,设备结构满足设计要求,可以完成正常工况下的碳纤维预浸带精准铺放。

基于体素的机械臂连续碳纤维3D打印路径规划

碳纤维长纤3D打印对路径的连续性和复杂构型的无支撑成型均提出了需求。传统三轴熔融沉积3D打印采用平面切片和基于轮廓的路径规划方法,由于成型方向的单一性,悬空结构无法避免支撑的产生;由于采用基于轮廓的路径规划,缺少内部几何信息,无法扩展到曲面空间。针对以上问题,提出了基于机械臂的连续碳纤维3D打印曲面切片和曲面连续路径规划方法。通过三维模型的体素化处理,保证空间信息的完整性;在无支撑无碰撞约束下,分解成系列体素曲面层,保证无支撑成型;采用Fast Marching网格测地线算法,形成曲面空间的连续等距螺旋偏置路径,并对路径进行平滑优化,保证路径的连续性;最后生成用于机械臂3D打印的Gcode路径文件。通过多种三维模型路径规划仿真对比和打印实验,证明了该方法的可行性,实现了曲面分层的无支撑连续路径规划。

连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

以“独立挤出”型连续碳纤维增强PLA复合材料(continuous carbon fiber reinforced PLA composite,CCFRC/PLA)3D打印制件为研究对象,设计了柔性的连续碳纤维增强PLA复合材料丝(continuous carbon fiber reinforced composite filament/PLA,CCFRCF/PLA)送丝机构,研究了打印喷嘴直径与CCFRCF/PLA直径、表面包裹树脂膨胀特性及打印层高的关系,探讨了喷嘴端面直径对打印表面热辐射的影响规律,推导了喷嘴直径的计算公式,求解了最佳喷嘴直径和最佳端面直径。基于设计的打印喷头,采用仿真分析与实验验证的方法,探索了打印层高与制件力学性能之间的关系,结果表明CCFRC/PLA的抗拉强度与纤维层数呈正相关,并验证了层合板预测模型的有效性,获得了打印层高0.1 mm时CCFRC/PLA抗拉强度的修正系数为0.039,打印层高0.2 mm时,修正系数为0.124,为连续碳纤维增强复合材料3D打印技术的发展提供了理论基础和参考价值。

嵌件注射成型连续碳纤维增强聚酰胺6复合材料力学性能

研究嵌件注射方式制造嵌件样条的可行性与回火工艺对制品性能的影响。使用连续碳纤维预浸带贴片(30 mm×20 mm×0.15 mm)作为嵌件,尼龙6(PA6)材料作为塑件,注射加工完成嵌件制品的制备。将制品压制成拉伸和弯曲样条(45 mm×5 mm×2 mm),并对嵌件样条表面进行回火处理,对比回火前后样条力学性能的变化。结果表明,回火处理后的嵌件样条的拉伸和弯曲性能都有相应的提高,平均拉伸强度达到了52.03 MPa,平均弯曲强度达到了64.65 MPa,平均弯曲模量达到了2 458.18 MPa,约是纯尼龙样条的2.7倍。根据拉伸后样条的断裂情况,使用光学显微镜观察了嵌件制品的界面黏结性。在拉伸断裂面上未观察到嵌件与塑件之间的空隙,表明两者间的黏结性良好。因此,连续碳纤维预浸带作为嵌件通过注塑成型和回火处理,可提升制品的综合性能。

连续碳纤维混合3D打印工艺及仿生腿性能研究

基于连续与短切碳纤维复合材料双喷头混合3D打印工艺原理,本文研究了连续碳纤维在实验样条中的排布方式,对3D打印中连续碳纤维的层间布局进行工艺规划,并应用于四足机器人仿生腿的制造,以增强四足机器人仿生腿的承载能力。根据不同工况下四足机器人仿生腿的受力分析及静力学仿真结果,得到仿生腿受力时理论应力集中部位,并由此设计承载力实验对仿生腿30°外展工况持续施加力至额定载荷;通过仿生腿在承载力实验中结构失效的部位与仿真时理论应力集中处的对照分析,证明了仿真结果的准确性。依据仿生腿侧面受力时结构失效的测试评估结果,对3D打印仿生腿中的连续碳纤维的布局进行合理工艺规划,在不增大连续碳纤维整体含量的条件下对应力集中部位进行选择性增强,可在提高3D打印性价比的同时使仿生腿的最大拉升强度提升至310 MPa,从而达到更优的承载作用。

连续碳纤维3D打印的路径规划研究进展

近年来,随着3D打印技术的发展,一些复杂几何形状复合材料结构能够有效制造出来,从而拓展了复合材料的应用范围。路径规划是3D打印制造过程中的关键技术之一,由于连续碳纤维各向异性的特点,不同的打印路径对成型件力学性能和成型效率有很大的影响。本文主要讲述了适用于连续碳纤维3D打印中面内非交错打印和基于载荷的路径规划。最后指出了3D打印路径规划的研究重点和发展方向。

连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料产品加工及装配

连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是一类具有优异性能和广泛应用前景的新型材料。本文通过系统概述了连续碳纤维和碳化硅陶瓷基复合材料的基本概念和性质,以及增韧机制的介绍和讨论。对连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法进行了详细阐述,包括前驱体的选择和制备、成型及热处理过程介绍以及材料性能的测试与分析。随后,本文介绍了连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料产品的加工工艺,包括产品设计的原则和方法、硬质材料的精密加工技术以及加工中的质量控制与优化。在此基础上,论文进一步探讨了连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料产品的装配和接合问题,包括装配工艺设计与实施、连接和固定方法的选型与评估以及接合强度与耐久性的测试与分析。本文探讨了连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料产品的应用领域和发展趋势,包括产品的主要应用领域及其性能要求、现有技术瓶颈和解决方案的探讨,以及未来的研究方向和发展趋势。本文的研究成果对于连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的进一步研究和开发具有重要的指导意义。

连续碳纤维单丝的应变电阻效应

碳纤维是一种十分重要的新型材料,是先进复合材料中最重要的增强材料之一,同时又是一种功能材料。研究了连续碳纤维单丝的应变电阻效应,分析了在拉应力作用下其电阻率的变化规律。结果表明:连续碳纤维单丝的电阻应变灵敏系数为1.38,比常用电阻应变片的要低,原因是碳纤维的电阻率在拉应力作用下是减小的。另外连续碳纤维受拉时,其电阻的变化由纤维几何尺寸及电阻率的变化引起,但主要是由几何尺寸的变化而引起的。同时,测试了连续碳纤维单丝的力学性能。

连续碳纤维带树脂基复合材料的传感性能实验研究

利用连续碳纤维带、树脂溶液和薄衬底材料制作的碳纤维带树脂基复合材料传感器具有较好的传感性能。将碳纤维带复合材料粘贴在四点弯曲的钢梁上,对其频率响应、线性度、重复性、迟滞性和灵敏度特性进行试验研究。在拉应力为0～72.28MPa范围内,实验表明连续碳带智能传感材料具有较好的力敏效应,平均灵敏度高达87.82,可以定性判断脉冲载荷的大小。

连续碳纤维增强水泥基复合材料的传感特性研究

修补和加固的在役混凝土结构需要有效的手段来监测和评定其安全状况。研究了连续碳纤维增强水泥基复合材料三点弯曲梁在不同加载方式下,其电阻与变形之间的变化规律,探究连续碳纤维增强水泥基复合材料的传感特性。结果表明,连续碳纤维增强水泥基复合材料试样的应变-电阻敏感度高于电阻应变片,线性度、滞后性较好,蠕变小,稳定性较好。据此,可将连续碳纤维增强水泥基复合材料用来制作感知结构损伤的传感器,实现对大型土木结构的在线健康监测。如果将其用作修补材料,那么在修补加固破损结构的同时,还可利用其应变-电阻敏感性长期在线动态监测结构的损伤及修补质量。

连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究

连续碳纤维复合材料3D打印的成型质量与成型性能受到三维成型过程中温度、速度、层高等多工艺条件及复合材料本身、打印喷头等多物理参数的影响,合理工艺参数的选择是高质量碳纤维三维成型的保证。针对碳纤维长纤复合材料连续性与各向异性的特点,研究了连续碳纤维3D打印的系统构成与工艺模型,分析了三维成型过程中不同工艺参数与成型结果间的影响关系,通过3D打印实验验证理论分析的正确性。研究为连续碳纤维复合材料3D打印合理工艺条件的选择提供了依据。

连续碳纤维增强PA66复合材料的结晶与力学性能

采用熔融浸渍法制备了连续碳纤维(CF)增强聚酰胺66(PA66)浸渍带,用万能材料试验机、X射线衍射仪、差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、动态热力学分析以及热重分析仪等研究了纤维含量对复合材料结晶与力学性能的影响。结果表明,CF的加入改变了PA66的α晶型的晶态结构,促进PA66异相成核,导致结晶温度升高;CF的加入使得PA66的双重熔融现象变得愈加明显,其高温熔融温度先减后增,这是由于CF对PA66具有诱导、促进成核作用,过多的晶核生长不完善,出现晶粒细化现象,其熔融温度降低;进一步增加纤维含量,其对成核的促进作用达到了饱和,晶粒逐步生长趋于完善,其熔融温度升高;浸渍带随着纤维含量的增加,其拉伸强度、储能模量、损耗模量以及玻璃化转变温度都有所提高。

连续碳纤维复合材料3D打印的切片方向调控

三维模型切片处理是3D打印的前提。由于连续碳纤维复合材料各向异性的特点,分层处理前,根据成型样件力学性能的方向性要求,对三维模型切片方向进行调控是获得满足成型性能需求的碳纤维3D打印零部件的保证。在三维拓扑重建的基础上,通过力学方向约束下的坐标矩阵变换算法实现三维模型切片处理的方向性调控;采用变换矩阵空间后的切平面相交法进行等层厚分层处理,实现连续碳纤维复合材料3D打印成型路径方向规划。通过不同模型多方向切片处理实验证明算法的有效性。

连续碳纤维增强尼龙复合材料的研究

研究了碳纤维对CCF/MCPA力学性能的影响以及CCF/MCPA的摩擦学性能和磨损机制。结果表明 ,CCF/MCPA的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高 ;CCF/MCPA的摩擦系数和磨损量随着载荷的增加而降低。

连续碳纤维增强金属基复合材料研究进展及展望

连续碳纤维增强金属基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗拉伸等优良的综合性能,在新材料领域发展迅速,应用广阔。本文对连续碳纤维增强镁基、铝基、镍基、铜基复合材料的研究进展进行了综述,指出了目前各自存在的最主要问题是界面问题并对关键技术难点给出相应的研究思路,如可以从纤维涂层研究、纤维与基体界面反应等方面入手,以及加强该领域复合材料损伤机理研究。提出激光增材制造连续碳纤维增强金属基复合材料的工艺新思路,并进行了工艺研究现状论述和初步实验探索。最后指出先进制造技术对比传统工艺,在降低复合材料制备成本、改善界面强度、增加零件结构复杂度方面具有优势。

柔性连续碳纤维抽油杆应用软件开发

本文以简易公式法为理论依据,在充分考虑油管回压的基础上,结合柔性连续碳纤维抽油杆的具体特性,并运用计算机编程技术,编制出了一套碳纤维—钢混合抽油杆应用设计软件。通过输入油井工况数据,利用该软件可有效设计出配重杆的规格及长度等施工数据,并能预测产液量,同时所有信息都能及时存放到各自对应的数据库中。现场应用表明,该软件具有较高的精度,能够满足工程需要。