SLS に基づく高性能炭素繊維/ナイロン/樹脂三元複合材料を製造する新しい方法

寄稿者: 陳瑞光、連秦

熱硬化性短繊維強化ポリマー (SFRP) 複合材料は、優れた熱安定性、寸法安定性、剛性、耐腐食性を備えています。これらは非常に有望な軽量材料であり、軍事、自動車、航空宇宙産業で広く使用されています。現在、シートモールディングコンパウンド（SMC）とバルクモールディングコンパウンド（BMC）を原料とする圧縮成形と射出成形が主な製造方法です。この方法は生産効率が高く、製品精度も良好ですが、準備サイクルが長く、生産コストが高く、複雑な形状の部品を製造することが困難です。

華中科技大学のラピッドマニュファクチャリングセンターは、粉末床レーザー積層造形（SLS）に基づく炭素繊維/エポキシ熱硬化性樹脂の統合製造および成形プロセスを初めて提案しました。これにより、上記の欠点を克服できます。製造された複合材料は、3次元連続炭素繊維/ナイロン（PA12）/樹脂（EP）の三元構造を持ち、報告されているほとんどのSLS材料よりも高い引張強度と曲げ強度を示します。

図1. 炭素繊維強化熱硬化性複合材料の製造プロセス。製造プロセスを図1に示します。最初のステップでは、表面処理された炭素繊維（CF）をPA12と混合し、CFの表面をPA12の薄い層でコーティングして、SLS用のPA12/CF複合粉末を得ます。2番目のステップでは、SLSプロセスを使用して印刷します。PA12はレーザーの高温下で溶融し、CFを互いに接続するためのバインダーとして機能してネットワーク構造を形成し、多孔質プリフォームを印刷します。3番目のステップでは、高温および負圧条件下でプリフォームに高性能エポキシ樹脂（EP）を含浸させます。最後に、複合材料を硬化させて、CF/PA12/EP三元複合材料を調製します。

図 2. CF/PA12/EP 三元複合材料ブランクの表面 (a、b) と断面 (c、d) の SEM 画像。図 2.a と b からわかるように、SLS プロセス後、PA12 ポリマーバインダーは完全に溶融し、CF に接続して多孔質構造を形成し、その後の液体エポキシ樹脂の浸透と充填に便利です。図2.c、dに示すように、充填後、EPマトリックスとCF補強材が相互浸透して、3次元連続構造分散を形成します。 CF 表面の薄い PA12 ポリマーコーティングには 2 つの機能があります: (1) SLS プロセス中に、レーザー照射下で個別の CF を多孔質 CF プリフォームに結合するバインダーとして機能します。(2) CF と EP マトリックス間の化学的相互作用と濡れ性を高める中間層として機能します。複合粉末中のバインダー PA12 の相対含有量によって、SLS グリーン体の初期強度と多孔度が決まります。バインダーが多いほど、グリーンボディは強くなり、多孔性は低くなり、複合材へのエポキシの浸透は少なくなります。研究によると、十分な強度の後処理を前提とした場合、多孔性を最大化するための最適な PA12 含有量は 25Vol% です。

表 1. CF/PA12/EP 三元複合材料と他のいくつかの SLS 製造ポリマーベース複合材料の特性の比較。表 1 は、この方法で製造された三元複合材料の引張強度と曲げ強度が他のいくつかの SLS 製造ポリマーベース複合材料よりも高く、それぞれ 101.03 MPa と 153.43 MPa に達していることを示しています。

図3. 三元複合材料の引張破面、(a) 500倍、(b) 2000倍に拡大
図 3.a からわかるように、複合材料は典型的な脆性破壊挙動を示し、破断面はせん断変形の粗い形態をしています。 EP マトリックスの変形とさまざまな方向への亀裂伝播 (矢印で示す) は、CF/PA12 が豊富なドメインによってブロックされ、軌道の変更を強制されるため、複合材料の破壊靭性と強度が向上します。破壊面では、繊維の引き抜き、界面の剥離、マトリックス破壊という 3 つの繊維破壊メカニズムが観察されます。他のいくつかの SLS で製造されたポリマーベースの複合材料と比較して、引張強度と曲げ強度が高い理由は、(1) CF の均一な分布、および (2) 図 3.b に示すように、機械的連結と化学的相互作用によってもたらされる CF と EP 間の良好な界面結合によるものです。人工肉オンライン http://www.renzaofood.com は、複合材料の製造は有望であると示唆しているが、技術的な難しさは小さくない。

参考文献:
Zhu W、Yan C、Shi Y、et al. 選択的レーザー焼結法に基づく高性能炭素繊維/ポリアミド12/エポキシ三元複合材料の作製[J]。Scientific Reports、2016、6:33780。

寄稿者: 陳瑞光、連秦寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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