PS對(duì)PS/CF復(fù)合材料SLS燒結(jié)件力學(xué)性能及成型精度的影響

楊來俠，王 勃，徐 超，陳夢(mèng)瑤

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054)

0 前言

在眾多3 D打印技術(shù)中，SLS的應(yīng)用最為廣泛[1]，它是在三維模型的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算機(jī)根據(jù)模型切片的截面信息控制高能激光束，有選擇的掃描照射被加工的粉末材料，逐層累加進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體零件的制造[2]。PS是SLS中應(yīng)用廣泛的高分子材料之一[3]，其燒結(jié)件的收縮率較小，但強(qiáng)度較差[4]，難以直接投入到工業(yè)生產(chǎn)中。CF作為一種新型的纖維材料，對(duì)多種高分子材料均有很好的增強(qiáng)效果[5-7]。鑒于此特征，通過機(jī)械混合的方法制備了PS/CF復(fù)合材料，利用PS和CF之間燒結(jié)后的相互作用，形成類似于“鋼筋混凝土”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，將燒結(jié)件中PS所受到的應(yīng)力均勻傳導(dǎo)到CF上，從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)件強(qiáng)度的提高[8]。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，SLS常用來制作快速熔模鑄造行業(yè)中的鑄造原型[9-11]。鑄造原型進(jìn)行零件澆鑄過程中，由于受到浸蠟、掛漿等工藝的影響，往往會(huì)受到拉伸、彎曲以及沖擊應(yīng)力的復(fù)合作用。因此在衡量燒結(jié)件的力學(xué)性能時(shí)，需將燒結(jié)件的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度同時(shí)作為衡量指標(biāo)進(jìn)行考量[12]。在眾多影響因素中，粉末材料的平均粒徑是影響燒結(jié)件質(zhì)量最重要的因素之一；在復(fù)合材料中，填料含量較少且粒徑一般小于基體材料，因此影響PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件質(zhì)量的最重要因素為PS的平均粒徑[13]。基體材料粒徑過大時(shí)，燒結(jié)件孔隙率高，從而造成燒結(jié)件強(qiáng)度的急劇下降；粒徑過小時(shí)，容易產(chǎn)生過燒結(jié)現(xiàn)象，從而在燒結(jié)完成后產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力，造成燒結(jié)件產(chǎn)生嚴(yán)重的變形[14-15]。因此，在SLS中一般要求復(fù)合材料中基體材料的平均粒徑分布在70～300 μm之間[16]。

本文以PS作為基體材料，CF作為填料制備了PS/CF復(fù)合材料，對(duì)同一比例下使用不同粒徑的PS制得的PS/CF復(fù)合材料的粒徑分布進(jìn)行了測(cè)量分析。在此基礎(chǔ)上通過SLS實(shí)驗(yàn)研究了不同粒徑的PS以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CF對(duì)PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件的力學(xué)性能和成型精度的影響，并從微觀角度對(duì)PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PS，粉末，工業(yè)級(jí)，平均粒徑分別為75、115、155、195、235 μm，密度1.040～1.065 g/cm3，吸濕率0.02～0.3 %，收縮率0.2～0.6 %，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度75～105 ℃，黏態(tài)流動(dòng)溫度175～195 ℃，分解溫度>300 ℃，上海和晟塑膠微粉有限公司；

CF，T300級(jí)，單絲直徑7 μm，短切長(zhǎng)度為150 μm，拉伸強(qiáng)度2～7 GPa，密度1.75 g/cm3，含碳量≥95 %，比熱容7.12 J/(kg·℃)，滄州中麗新材料科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

游標(biāo)卡尺，111N-101-10G，量程為150 mm，桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司；

分析天平，UTP313-4，上海花潮電器有限公司；

高速混合機(jī)，SHR-10A，張家港市萬凱機(jī)械有限公司；

標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)，JS14S，新鄉(xiāng)市高新區(qū)中志篩分機(jī)械有限公司；

快速成型機(jī)，XJRPSLS300，陜西恒通智能機(jī)器有限公司；

電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，3360，美國(guó)英斯特朗工程(上海)材料測(cè)試機(jī)公司；

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，SJJ-50，承德金和儀器制造有限公司；

激光粒徑分析儀，LS230，貝克曼庫(kù)爾特商貿(mào)(中國(guó))有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，EVO 18，卡爾蔡司光學(xué)(中國(guó))有限公司。

1.3 樣品制備

PS/CF復(fù)合粉末制備：制備PS/CF復(fù)合材料可分為2個(gè)階段，第一階段，為了研究PS粒徑對(duì)PS/CF燒結(jié)件力學(xué)性能的影響，按照90∶10 的質(zhì)量比分別使用分析天平稱取適量平均粒徑為75、115、155、195、235 μm的PS和適量CF，通過機(jī)械混合的方法對(duì)其進(jìn)行混合，然后將混合后的粉末材料放入標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)中進(jìn)行過濾篩分，得到適合SLS不含大顆粒雜質(zhì)的PS/CF復(fù)合材料；第二階段，在得到最佳粒徑PS的基礎(chǔ)上，為了研究復(fù)合材料中CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PS/CF燒結(jié)件的力學(xué)性能及成型精度的影響，制備得到CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5 %、10 %、15 %、20 %、25 %的PS/CF復(fù)合材料，制備方法與第一階段相同；

力學(xué)性能測(cè)試件制備：在工藝參數(shù)為激光功率30 W，掃描間隔0.32 mm，預(yù)熱溫度80 ℃，分層厚度0.25 mm和掃描速度為2 000 mm/s等條件下，使用混合篩分得到的PS/CF復(fù)合材料，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005 和GB/T 1043.1—2008，利用XJRPSLS 300 快速成型機(jī)每次同時(shí)等間距的燒結(jié)5個(gè)彎曲強(qiáng)度測(cè)試樣件、5個(gè)拉伸強(qiáng)度測(cè)試樣件以及5個(gè)沖擊強(qiáng)度測(cè)試樣件；具體尺寸如圖1(a)、(b)及(c)所示。

(a)彎曲試樣 (b)拉伸試樣 (c)沖擊試樣圖1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件Fig.1 Standard test sample

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

粒徑分析：取5～10 g的PS/CF復(fù)合材料與適量直鏈烷基苯碳酸鈉水溶液混合，用膠頭滴管吸取少量混合液體放入粒徑分析儀中進(jìn)行測(cè)試，連續(xù)進(jìn)行2次測(cè)試，取其均值；

力學(xué)性能測(cè)試：按照GB/T 1447—2005 在室溫環(huán)境下通過電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)所制備的PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件進(jìn)行彎曲和拉伸試驗(yàn)；其測(cè)試計(jì)算方法為：設(shè)定電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)的加力速度為2 mm/min，測(cè)定得到燒結(jié)件的最大彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，然后分別根據(jù)式(1) 和式(2) 計(jì)算出燒結(jié)件的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，最后將每組5個(gè)燒結(jié)件彎曲強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度的平均值作為PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件的計(jì)算實(shí)驗(yàn)值;

(1)

式中σ1——彎曲強(qiáng)度，MPa

F——最大彎曲應(yīng)力，kN

L——跨距，L=64 mm

B——測(cè)試試樣寬度，mm

H——測(cè)試試樣高度，mm

(2)

式中σ2——拉伸強(qiáng)度，MPa

F——最大拉伸應(yīng)力，kN

B——試樣寬度，mm

D——試樣厚度，mm

試樣沖擊強(qiáng)度的測(cè)試：按照GB/T 1043.1—2008 在室溫條件下，試樣無缺口設(shè)定簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘能量為7.5 J，沖擊速度為3.8 m/s；試樣的沖擊強(qiáng)度值可通過試驗(yàn)機(jī)直接測(cè)量讀數(shù)；

SEM分析：在彎曲和拉伸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)過破壞的試樣的斷面進(jìn)行噴金處理，采用SEM觀測(cè)PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件中CF的分布方式和規(guī)律，從微觀角度分析燒結(jié)件力學(xué)性能和精度變化的原因，測(cè)試加速電壓為4 kV，室溫下測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料粒徑分析

如圖2所示5種PS/CF復(fù)合材料的粒徑集中分布范圍分別為30.07～123.7、39.78～176.9、67.94～194.92、121.78～256.9、146.8～303.69 μm，均可滿足SLS對(duì)粉末材料粒徑的要求。

PS粒徑/μm:1—75 2—115 3—155 4—195 5—235圖2 PS/CF復(fù)合材料粒徑分布范圍Fig.2 Particle size distribution range of PS/CF composite powder materials

2.2 燒結(jié)件性能分析

2.2.1 PS粒徑對(duì)燒結(jié)件力學(xué)性能及成型精度的影響

(a)彎曲強(qiáng)度 (b)拉伸強(qiáng)度 (c)沖擊強(qiáng)度圖3 PS粒徑對(duì)PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of PS particle size on mechanical properties of sintered PS/CF composites

PS粒徑/μm：(a)75 (b)115 (c)155 (d)195 (e)235圖4 不同PS粒徑的PS/CF燒結(jié)件的斷面形貌Fig.4 Cross section morphology of PS/CF sintered parts with different particle size

如圖3所示PS粒徑對(duì)PS/CF燒結(jié)件的彎曲、拉伸以及沖擊強(qiáng)度產(chǎn)生的影響效果是不同的。對(duì)于彎曲強(qiáng)度而言，其大小整體上隨著PS粒徑的增大而減小，這是因?yàn)殡S著PS粒徑的不斷增大，PS熔融程度降低，燒結(jié)件孔隙率不斷增大，如圖4 (a)～(e)所示；PS與CF之間的接觸面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致燒結(jié)件彎曲強(qiáng)度值整體上隨著PS粒徑的增大而減小。對(duì)于拉伸強(qiáng)度而言，其大小隨著PS粒徑的增大先急劇下降而后緩慢減小，這是因?yàn)榈挚估鞈?yīng)力的主要因素為PS與CF之間的融合效果，融合效果越好拉伸強(qiáng)度值越大；結(jié)合圖4(a)和(b)～(e)的對(duì)比可以看出PS粒徑為75 μm的PS/CF復(fù)合材料中2種材料的融合效果遠(yuǎn)好于其他復(fù)合材料，同時(shí)當(dāng)PS粒徑大于115 μm時(shí)，PS/CF復(fù)合材料中2種材料的融合變化程度較小，因此PS/CF燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度隨著PS粒徑的增大先急劇下降而后緩慢減小。對(duì)于沖擊強(qiáng)度而言，其大小隨著PS粒徑的增大而減小，這是因?yàn)闆_擊應(yīng)力的作用時(shí)間較短，燒結(jié)件所受的力不能均勻的分散到CF上，此時(shí)沖擊強(qiáng)度的大小僅與PS的熔融程度有關(guān)，熔融程度越高沖擊強(qiáng)度越大，而PS的熔融程度與其粒徑的大小成反比例關(guān)系，所以沖擊強(qiáng)度隨著PS粒徑的增大而減小。

如圖5所示PS粒徑對(duì)PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件x向和y向成型精度的影響較小，燒結(jié)件精度并未出現(xiàn)明顯的變化；但是對(duì)于燒結(jié)件z向成型精度而言，當(dāng)PS粒徑大于155 μm時(shí)，燒結(jié)件z向尺寸偏差明顯變大，精度急劇變差。這是因?yàn)樵跓Y(jié)過程中，燒結(jié)件x向、y向的成型精度僅與材料自身的收縮性和鋪粉效果有關(guān)，材料粒徑對(duì)其的影響并不明顯，所以燒結(jié)件x向、y向成型精度并未出現(xiàn)明顯的變化。而燒結(jié)件z向成型精度與燒結(jié)質(zhì)量有著密切關(guān)系，燒結(jié)質(zhì)量越差，z向成型精度越差，PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)件的燒結(jié)質(zhì)量由PS與CF之間的融合程度決定融合效果越差燒結(jié)質(zhì)量就越差[17]。因此結(jié)合圖4 (a)～(c)可以看出，當(dāng)PS粒徑小于等于155 μm時(shí)，PS與CF之間融合較好，成型質(zhì)量較為優(yōu)良，所以燒結(jié)件z向成型精度較好，且變化幅度較小；結(jié)合圖4 (d)和(e)可看到，當(dāng)PS粒徑大于155 μm時(shí)，PS與CF之間的融合較差，導(dǎo)致燒結(jié)質(zhì)量較差，會(huì)在清粉過程中會(huì)造成嚴(yán)重的“掉粉”現(xiàn)象，進(jìn)而使得燒結(jié)件z向成型精度急劇變差。

2.2.2 CF含量對(duì)燒結(jié)件力學(xué)性能及成型精度的影響

如圖6所示CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～15 %時(shí)，燒結(jié)件的彎曲、拉伸以及沖擊強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的增強(qiáng)，因?yàn)檫m量的CF可均勻的填充在PS中，熔融后的PS可將CF完全包裹，形成穩(wěn)定的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，尤其在CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時(shí)效果最佳；當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過多時(shí)，由于CF具有良好的導(dǎo)熱性，會(huì)將大量用來熔融PS的熱量傳導(dǎo)至非燒結(jié)區(qū)域，使得PS得不到充分熔融；因此當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10 %時(shí)其增強(qiáng)效果減弱，尤其在CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20 %時(shí)，PS/CF燒結(jié)件的力學(xué)性能低于純PS燒結(jié)件。

(a)x、y向 (b)z向圖5 PS粒徑對(duì)PS/CF燒結(jié)件成型精度的影響Fig.5 Effect of particle size of matrix material on the molding precision of PS/CF sintered parts

(a)彎曲強(qiáng)度 (b)拉伸強(qiáng)度 (c)沖擊強(qiáng)度圖6 PS/CF復(fù)合材料中CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燒結(jié)件力學(xué)性能的影響Fig.6 Effect of mass fraction of CF in PS/CF composites on mechanical properties of sintered parts

(a)x、y向 (b)z向圖7 PS/CF復(fù)合材料中CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燒結(jié)件成型精度的影響Fig.7 Effect of mass fraction of CF in PS/CF composites on the forming accuracy of sintered parts

如圖7(a)所示CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化并不會(huì)引起燒結(jié)件x向和y向成型精度產(chǎn)生明顯的變化，其變化原因與2.2.1中PS粒徑對(duì)PS/CF燒結(jié)件x向和y向成型精度影響的分析原因相同。圖7(b)中可以看出CF的存在可極大改善燒結(jié)件z向的成型精度，但是當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10 %時(shí)，改善效果略有下降，這是因?yàn)镃F具有良好的導(dǎo)熱性，適量CF的可將激光產(chǎn)生的熱量均勻的分散到燒結(jié)件各部分，同時(shí)將多余的熱量迅速導(dǎo)出，燒結(jié)件各部分的材料均勻的充分熔融，各粉末顆粒之間的粘接效果良好，進(jìn)而使得燒結(jié)件具有較為優(yōu)良的力學(xué)性能和z向成型精度；當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10 %時(shí)，過多的CF會(huì)將用來熔融PS的部分熱量迅速帶走，造成PS/CF復(fù)合材料燒結(jié)不充分，層與層之間的粘接不牢，導(dǎo)致燒結(jié)件底部出現(xiàn)“掉粉”、“掉層”現(xiàn)象，因此當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10 %時(shí)燒結(jié)件z向尺寸成型精度的改善效果略有下降。

3 結(jié)論

(1)以不同粒徑的PS作為基體材料制備了PS/CF復(fù)合材料，該復(fù)合材料的粒徑分布范圍分別為30.07～123.7、39.78～176.9、67.94～194.92、121.78～256.9、146.8～303.69 μm，均可滿足SLS的使用要求；

(2)在保證PS/CF燒結(jié)件力學(xué)性能和成型精度的前提下，得出最佳的PS粒徑為75 μm，最佳的CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %；并測(cè)得PS/CF燒結(jié)件的彎曲、拉伸以及沖擊強(qiáng)度可分別達(dá)到6.88、2.97 MPa和2.98 kJ/m2，x向、y向及z向的尺寸偏差絕對(duì)值僅為0.8 %、0.22 %、1.6 %；

(3)與同種工藝下粒徑為75 μm的純PS相比較，PS粒徑為75 μm、CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的PS/CF復(fù)合粉末材料燒結(jié)件的彎曲、拉伸以及沖擊強(qiáng)度分別提高62.06 %、74.29 %、83.95 %，x向、y向及z向成型尺寸成型精度分別提高5.44 %、69.44 %、81.34 %。