3D打印短碳纤维增强聚丙烯复合材料的机械、热和电性能
3D打印短碳纤维增强聚丙烯复合材料的机械、热和电性能
1. 成果简介
碳纤维增强聚合物基复合材料因其高性能和多功能性一直是一个重要的研究课题。大连工业大学Xiaohang Tuo等研究人员在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊发表名为“Mechanical, Thermal, and Electrical Properties on 3D Printed Short Carbon Fiber Reinforced Polypropylene Composites”的论文，研究使用熔融沉积建模（FDM）-三维打印技术制备的短碳纤维增强聚丙烯（SCF/PP）复合材料的机械、热和电性能。
选择聚丙烯作为三维打印复合材料的基体，是为了克服高含量 SCF 带来的加工问题。SCF 的添加还有效缓解了 PP 冷却过程中的翘曲问题。与纯 PP 相比，拉伸强度提高了 35%，弯曲强度提高了约 40%。随着 SCF 含量的增加，热导率呈线性增长，PPCF50 样品的热导率在 70 °C 时达到 0.266 W/(m - K)，同时还表现出优异的导电性。这种材料在电磁防护应用方面也显示出巨大的潜力，最大屏蔽效能达到 29.8 dB。三维打印设置中的纹理方向和填充密度也被证明在调整复合材料样品的性能方面发挥着重要作用。本研究的尝试有利于促进聚烯烃聚合物作为三维打印 SCF 增强复合材料产品的耗材基体材料的广泛应用。
2. 图文导读
图1.3D打印样品的结构设计（A）及其模型（B）。
图2.不同SCF含量的SCF/PP复合材料纤维形貌图
图4.SCF/PP复合材料的热性能
图5.具有不同填充设置的 3D 打印样品 （PPCF50） 及其热成像观察
图6.不同SCF含量的3D打印耗材的电阻值（A）和拉伸样品的电导率性能（B）（PPCF50）。
图7.不同SCF含量的3D打印样品的屏蔽性能。（A） SER、（B） SEA 和 （C） SET。
3. 小结
利用熔融沉积成型（FDM）-三维打印技术成功制备了高含量短碳纤维（SCF）增强聚丙烯（PP）复合材料。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄的图像显示，SCF 均匀地分布在复合材料中。这种 SCF 形态有利于 FDM-3D 印刷复合材料的加工性能，确保了其高性能和多功能性。
根据这些力学测试结果，3D 打印复合材料的断裂功随 SCF 含量的增加而呈上升趋势。当 SCF 含量为 30-40% 时，复合材料的韧性最佳。45° 纹理设置可提供较高的刚度。压缩性能与填充密度呈正相关。
三维打印复合材料样品的导热性随 SCF 含量的增加而线性增加。值得注意的是，PPCF50 样品在 70 °C 时的导热系数为 0.266 W/m-K。
随着 SCF 含量的增加，复合材料的电导率呈指数变化。PPCF50 样品的 SET 值接近 30 dB，表明其具有显著的电磁防护功能。
本研究发现，FDM-3D 印刷方法有利于 SCF 在 PP 基体中均匀分散，不会出现类似模具成型的皮核结构。这种稳定的纤维形态最大限度地提高了添加材料的功能性。我们建议 SCF 含量超过 40%，以全面实现 3D 打印 SCF/PP 产品的机械、热和电气性能。
文献：https://doi.org/10.1021/acsapm.3c03083
来源：材料分析与应用