[发明专利]一种基于等离子与熔融沉积技术的碳纳米管/连续纤维增强复合材料制备方法

说明书

基于熔融沉积技术生产的连续纤维增强复合材料产品中连续纤维与基体间的界面属于惰性界面，界面粘结效果较差，严重影响连续纤维增强复合材料产品性能。碳纳米管的高强度、高比表面积等特性使其具有优越的力学性能，并在复合材料中展现出独特优势。通过添加碳纳米管，可提高连续纤维与基体间界面接触面积，增大二者间的机械啮合力。本发明将熔融沉积技术与等离子分散碳纳米管技术结合，提出了一种碳纳米管/连续纤维增强复合材料成型方法。在熔融沉积打印连续纤维复合材料过程中，在连续纤维进入喷嘴前，利用等离子技术将碳纳米管喷涂在连续纤维表面，以提高连续纤维与基体间的粘结强度，从而提升连续纤维增强复合材料产品的力学性能。

技术领域

本专利涉及一种基于熔融沉积工艺的复合材料成型方法，特别涉及等离子技术分散碳纳米管与连续纤维预浸润的复合材料打印技术，属于增材制造技术领域。

背景技术

随着增材制造技术的发展，熔融沉积技术(FDM)被广泛应用于交通运输、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域，FDM技术已成为当前热门的增材制造方式。受限于原材料自身的力学性能，所以产品成型零件的机械性能较低，限制了该技术进一步的发展。等离子分散技术作为一直辅助连续纤维表面改性方式，在近年来受到广泛的关注，但受限于复杂的工艺流程以及较高的技术成本，使得该技术在实际生产应用中并未得到广泛应用。

由于基于FDM技术的产品成型过程属于逐层累积固化的方式，为提高基于FDM技术的产品力学性能，所以采用连续纤维与原材料组成复合材料的方式进行打印强度的提升。但是连续纤维与原材料之间组成的界面属于惰性界面，界面之间粘连效果较差，并不能实现良好的浸润。针对制备零件中出现的层间粘结效果差、孔隙率高等问题，出现了在层间添加碳纳米管的方式。碳纳米管独特的六边形结构决定了其具有优越的力学性能，碳纳米管同时在复合材料中也可以表现出良好的强度、韧性、抗疲劳性。通过添加碳纳米管，使得层间接触面积增大，从而提升界面的范德华力。碳纳米管的加入使得连续纤维与原材料之间的粗糙度得到提升，会增大界面间的机械啮合力，产品在承载时更好的将载荷由原材料传递给连续纤维。等离子分散技术能够将碳管均匀的喷涂至纤维表面，但是在实际的生产应用中受限于工艺，所以并不能得到广泛地推广应用。

为了克服上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合的3D打印技术，将熔融沉积技术与等离子喷涂碳纳米管技术结合，综合利用两者的优点，既可以利用等离子分散技术喷涂碳纳米管来增大界面的啮合摩擦力，提高熔融沉积零件层间结合的效果，又能对连续纤维进行二次浸润，提高连续纤维的浸润效果，从而提升基于FDM技术制备产品的力学性能。

发明内容

本发明提供了一种基于等离子与熔融沉积技术的碳纳米管/连续纤维增强复合材料制备方法，将熔融沉积技术与等离子技术进行复合，综合两种技术的优点，实现提高熔融沉积产品的力学性能和零件层间粘结效果。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一：连续纤维首先经过连续纤维预处理装置，其中连续纤维处理装置中含有熔融状态的树脂材料，连续纤维经过预处理后成为外边包裹树脂材料的预浸润纤维丝束。

步骤二：预浸润丝束经过张紧轮装置进行张紧，张紧轮装置上配有热电偶进行加热，同时配以温度传感器进行温度的检测，保证张紧轮装置温度在树脂材料的玻璃化转变温度之上。

步骤三：预浸润丝束经过张紧加热后紧接着进入等离子碳纳米管喷涂装置，该装置主要有碳纳米管分散装置和碳纳米管回收箱组成，碳纳米管分散装置主要通过等离子放电将碳纳米管分散喷涂在预浸润纤维丝束上，同时碳纳米管回收箱能够将多余的碳纳米管进行吸附回收。

步骤四：预浸润丝束经过碳纳米均匀喷涂后，通过纤维连接头进入加热块。加热块共有两个进料口，其中一个进料口用于预浸润纤维丝束进入，另一个进料口用于树脂材料的进入。加热块表面嵌有热电偶进行加热，同时表面的温度传感器进行检查，加热至设定树脂材料熔融温度，上传信号至外接控制器，控制步进电机进行预浸润纤维束与树脂材料的输送。