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短碳纤维以及石墨片层的取向的表征性能分析

更新时间: 2021-08-03 09:41:39  查看次数: 242    
我们制备了二氧化硅/短碳纤维/石墨/环氧树脂作为打印墨水,对挤出过程中短碳纤维以及石墨片层的取向进行了表征。重点研宄了填料取向之后垂直于填料取向以及平行于填料取向两个表面的摩擦磨损性能。分析了不同正压力下这样品之间的摩擦系数与比磨损率产生较大差别的原因。根据分析得到的原因,设计和实现了填料取向的组合,能进一步提升打印样品在高正压力下的摩擦磨损性能,并且这种设计可以通过打印路径设计应用于更复杂截面形状的部件。

主要包括以下结论:
(1)长径比较高的短碳纤维与石墨都会沿着打印路径方向取向,片层状的石墨间杂分布在短碳纤维之间。
(2)随着正压力的增大,填料取向之后材料不同表面的摩擦磨损性能有较大差异。其中与填料取向平行的表面在12N以下的正压力下,呈现出最稳定的摩擦表现,其摩擦系数保持在0.25以下和比磨损率维持在10-17mm 3(Nm)量级。相比较而言,与填料取向垂直的表面则出现随正压力增大,摩擦系数和比磨损率大幅增长。

短切碳纤维分散液不同粘度下对短切碳纤维取向状态的影响

(3)转移膜的稳定与否是造成这种差异的直接原因,而填料的取向性影响转移膜的稳定性。扫描电镜形貌图表明,填料取向垂直于测试面时,短碳纤维容易形成一端包埋在基体而另一端裸露的形态,会刮落形成的转移膜或截断形成硬质的磨粒;而填料取向平行于测试面时,会经历短碳纤维磨薄、断裂、剥离的过程,极大提高材料的耐磨性能。

(a)填料取向沉积的示意图;(b)填料取向的三角形蜂窝结构的光学图像

(4)通过组合填料的取向,可以进一步提升材料在高正压力下的表现。我们所设计的T型组合形式,在正压力15N的情况下,当平行部分的厚度到垂直部分厚度的1/10时,摩擦系数呈现出稳定的低值,比磨损率相较于单一取向的样品下降2个数量级,达到l(T17mm3/(Nin)量级。这种有效的取向组合方式可以通过3D打印路径的规划,应用于具有复杂截面形状的部件中。