3D打印亞麻纖維生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的前景

發(fā)布日期:2019-07-25 08:40:23

       在“用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的連續(xù)亞麻纖維增強(qiáng)生物復(fù)合材料的3D打印”的研究中,作者A Le Duigou,A。Barbé,E。Guillou和M. Castro等人對(duì)在PLA等長(zhǎng)絲的3D打印中使用亞麻等天然材料越來(lái)越感興趣。

       研究人員以FDM 3D打印為研究對(duì)象,通過(guò)加入連續(xù)亞麻纖維/聚乳酸(CFF/PLA)復(fù)合長(zhǎng)絲,制備出力學(xué)性能最佳的生物復(fù)合材料。他們創(chuàng)造了一種定制的擠出技術(shù),用于復(fù)合材料,作者稱,該技術(shù)“證明了紗線在橫截面內(nèi)的均勻分布,而扭曲的亞麻紗則導(dǎo)致中尺度的富纖維區(qū)域?!?/span>研究小組對(duì)用亞麻制造一種新的復(fù)合材料很感興趣,因?yàn)樗牧W(xué)性能“很有前途”-通常很難找到所需的所有合適的品質(zhì)。他們解釋說(shuō),許多生物復(fù)合材料今天很受歡迎,但在使用許多不同的天然纖維時(shí),其力學(xué)性能仍然不太合適。
研究人員說(shuō):“CFF/PLA的拉伸模量和強(qiáng)度值超過(guò)了目前唯一公布的連續(xù)天然纖維打印復(fù)合材料的拉伸模量和強(qiáng)度值的4.5倍以上?!薄袄煨阅芘c連續(xù)玻璃纖維/聚酰胺(PA)打印復(fù)合材料的拉伸性能相同,為生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路。其最弱之處在于其橫向性能仍比類似的亞麻/PLA熱壓縮復(fù)合材料差?!?/span>
      其他纖維復(fù)合材料如玻璃、碳和芳綸也正在研究中,以提高3D打印性能,因?yàn)椴牧媳弧敖n”以產(chǎn)生更好的結(jié)構(gòu)。使用現(xiàn)場(chǎng)定制的Prusa i3 3D打印機(jī),一個(gè)控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的Arduino卡,以及Simplify 3D軟件,研究人員創(chuàng)建了一些可以進(jìn)行評(píng)估的樣本,并與之前的研究結(jié)果進(jìn)行了比較。生產(chǎn)連續(xù)亞麻/PLA長(zhǎng)絲的擠出工藝參數(shù)

       作為一種紗線,亞麻是紡織品應(yīng)用中復(fù)合材料的明顯選擇——可以提高織造強(qiáng)度。然而,作者指出,在“扭曲的結(jié)構(gòu)”中觀察到纖維束,影響了孔隙率和整體微觀結(jié)構(gòu)。“此外,亞麻紗線顯示出與長(zhǎng)絲中心的偏差,這似乎是由于共擠出頭造成的。實(shí)際上,在共擠出過(guò)程中,聚合物流向垂直于亞麻紗,這導(dǎo)致其定位在長(zhǎng)絲的邊緣?!弊髡哒f(shuō)。
“試驗(yàn)結(jié)果表明,長(zhǎng)絲內(nèi)纖維體積含量超過(guò)35%,導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的打印樣品。因此,在目前的工作中,所開(kāi)發(fā)的cFF/PLA長(zhǎng)絲含有較低的體積分?jǐn)?shù),為30.4±0.8%(wf≈34.5%),這接近商用高性能碳/聚酰胺長(zhǎng)絲。印花長(zhǎng)絲不影響纖維含量,因此cFF/PLA生物復(fù)合材料的纖維含量與長(zhǎng)絲相似?!?/span>
與以下方面相比,縱向性能得到改善:
·純PLA(剛度為×7,強(qiáng)度為×4.5)
·不連續(xù)天然纖維增強(qiáng)3D打印生物復(fù)合材料(剛度為×11,強(qiáng)度為×10)
·連續(xù)黃麻/PLA打印生物復(fù)合材料的可用數(shù)據(jù)(剛度為×4.5,強(qiáng)度為×4.5)
研究人員認(rèn)為,這些特性可以通過(guò)亞麻固有的更高機(jī)械性能,更高的纖維紗線高寬比,以及更好的纖維含量和整體均勻性來(lái)解釋。
      “非線性拉伸行為是天然纖維單向復(fù)合材料的典型特征,其性能與熱壓縮,VARTM和AFP制造的長(zhǎng)亞麻纖維復(fù)合材料以及商業(yè)3D打印機(jī)生產(chǎn)的連續(xù)玻璃/ PA復(fù)合材料相媲美。如此高的測(cè)量性能為結(jié)構(gòu)應(yīng)用開(kāi)辟了3D打印生物復(fù)合材料,“研究人員總結(jié)道。“cFF/PLA打印復(fù)合材料的最弱之處是它們的橫向性能仍然低于類似的亞麻/ PLA熱壓縮復(fù)合材料。在拉伸試驗(yàn)中觀察到的損傷機(jī)理與在長(zhǎng)絲展開(kāi)的連續(xù)合成纖維/聚合物打印復(fù)合材料中觀察到的相似。

(a)連續(xù)亞麻纖維/ PLA(cFF/PLA)長(zhǎng)絲的微觀結(jié)構(gòu);(b)未經(jīng)測(cè)試的cFF/PLA樣品橫截面的SEM顯微照片;(c)橫向打印的cFF/PLA(90°);(d)cFF/PLA縱向打?。?°)。面板d的細(xì)節(jié)顯示(e)環(huán)重疊和(f)規(guī)則環(huán)。
       在過(guò)去幾年中,與3D打印相關(guān)的材料科學(xué)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。雖然桌面機(jī)用戶的普及程度不斷提高,研究人員和工業(yè)制造商繼續(xù)使用像PLA這樣的燈絲,但現(xiàn)在正在用各種其他材料如石墨烯、連續(xù)纖維甚至木材來(lái)制造復(fù)合材料。

(a)縱向;(b)cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的宏觀圖像;(c)cFF/PLA打印部件的縱向橫向斷裂;(d)cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的SEM顯微照片。白色箭頭證明纖維束剝離和基質(zhì)失效。

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