選擇性激光燒結(jié)（selected laster sintering，SLS）技術(shù)是一種基于粉末材料的增材制造技術(shù)，由于SLS技術(shù)在制造零件時不需要支撐結(jié)構(gòu)，材料利用率高并且能夠獲得復(fù)雜形狀制件等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和生物醫(yī)療等行業(yè)。

     高分子材料是最早引入激光燒結(jié)中的工程材料，具有質(zhì)輕價廉、成形性能好等優(yōu)點。近年來研究人員通過添加碳系、金屬和金屬氧化物等導(dǎo)電填料減少高分子材料的靜電吸附危害，應(yīng)用于電子器件和傳感器等領(lǐng)域；相比于金屬及其氧化物，炭黑、石墨等碳系填料具有來源廣泛，成本低廉，性能優(yōu)異等特點被廣泛用于復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的制備。

     具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性高分子材料PES，具有良好的成形性能和可重復(fù)利用等特點，本實驗選其為選擇性激光燒結(jié)的基體材料。本課題組前期對PES/CF復(fù)合粉末和PES/CB復(fù)合粉末進(jìn)行了激光燒結(jié)實驗研究，結(jié)果表明，由于碳系填料自身的特性，單一碳系填料的聚醚砜樹脂基復(fù)合材料激光燒結(jié)件難以獲得優(yōu)異的綜合性能。比如，單一填料CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %時，對PES/CF燒結(jié)件的力學(xué)性能具有增強(qiáng)的作用，但不能形成導(dǎo)電通路，若使PES/CF燒結(jié)件內(nèi)部形成導(dǎo)電通路需添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 %的CF，此時會導(dǎo)致燒結(jié)件力學(xué)性能的大幅下降；單一填料納米級的CB粉末作為填料的PES/CB激光燒結(jié)件具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，但隨著CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，燒結(jié)件的力學(xué)性能受到削弱。相關(guān)研究表明，CF可以在CB形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中起到“橋接”的作用，使得復(fù)合材料在增強(qiáng)力學(xué)性能的同時具有更好的導(dǎo)電性能。

      本文選取CB和CF作為混雜填料，PES作為基體，研究CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~3 %CF的添加對燒結(jié)件的顯微組織、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和表面質(zhì)量的影響。期望獲得成本低廉、綜合性能較好的PES/CF/CB復(fù)合粉末用于抗靜電領(lǐng)域，同時進(jìn)一步拓寬激光燒結(jié)材料種類。

 實驗部分(節(jié)選）

l 制樣過程

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波分散后CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時，PES/CB激光燒結(jié)件內(nèi)部初步形成導(dǎo)電通路，本實驗設(shè)定CB粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %，通過添加0~3 %不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CF，研究CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于PES/CF/CB燒結(jié)件力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響。在本課題組前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)定本實驗工藝參數(shù)為預(yù)熱溫度80 ℃、激光功率15 W、掃描速度2000 mm/s、分層厚度0.1 mm和掃描間距0.1 mm。

本實驗按照CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %，CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5 %、1 %、1.5 %、2 %、2.5 %和3 %的配比制備PES/CF/CB復(fù)合粉末，具體步驟如下：將經(jīng)過超聲波分散的CB/無水乙醇懸濁液與CF和PES粉末充分混合后放入恒溫干燥箱中干燥16 h，溫度設(shè)置為45 ℃，干燥過程中每隔2 h對復(fù)合粉末翻動一次。利用高速混合機(jī)對烘干后復(fù)合粉末進(jìn)行混合處理，最后將混合后的復(fù)合粉末進(jìn)行篩分，得到均勻混合的不同實驗組PES/CF/CB復(fù)合粉末。

l 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用電子萬能力學(xué)試驗機(jī)參照GB/T 1040.1—2018和GB/T 9341—2008對試樣進(jìn)行拉伸試驗和3點彎曲試驗，拉伸速率和彎曲速率均為5 mm/s，試樣尺寸分別為150 mm×10 mm×4 mm和80 mm×10 mm×4 mm，每組測試5個試樣；

采用擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)參照GB/T 1843—2008對沖擊試樣進(jìn)行測試，試樣類型為無缺口試樣，沖擊能量2J，沖擊跨距62 mm，每組測試5個試樣；

采用四探針測試儀參照GB/T 15738—2008對彎曲試樣進(jìn)行電阻率（ρ）的測定，并根據(jù)公式σ=1/ρ計算燒結(jié)件電導(dǎo)率σ；

試樣斷口噴金后采用SEM對試樣斷口進(jìn)行顯微組織觀察；

利用粗糙度測試儀對燒結(jié)件的表面粗糙度進(jìn)行測量，每組測量5個試樣。

 結(jié)果與討論

l CF對燒結(jié)件顯微組織的影響

圖1為不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口的SEM照片。圖1（a）為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時的PES/CB燒結(jié)件拉伸斷口SEM照片，可見燒結(jié)件內(nèi)部有孔隙和燒結(jié)頸的存在。圖1（b）為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %時PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口形貌，燒結(jié)件拉伸斷口處可見嵌入PES中的CF以及CF拔出孔洞，CF被PES較為充分的包覆。圖1（c）為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %時PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口形貌，可見較多拔出的CF以及CF拔出孔，CF在PES中的取向呈現(xiàn)隨機(jī)分布，在斷面上可以發(fā)現(xiàn)不同角度的CF，CF與PES的界面結(jié)合情況較好。圖1（d）為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸斷口形貌，可見有完全裸露的CF出現(xiàn)以及CF聚集的現(xiàn)象，這是由于增加了較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CF使得基體PES含量不足，導(dǎo)致只有部分CF被較為充分地包覆，燒結(jié)件內(nèi)部孔隙增多，致密程度變差。

圖1 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時燒結(jié)件的拉伸斷口SEM照片

l CF對燒結(jié)件力學(xué)性能的影響

圖2所示為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0增加到3 %時PES/CF/CB燒結(jié)件的力學(xué)性能變化曲線。由曲線可以看出，CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，PES/CF/CB燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，但PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度變化不大，分別在7.248~7.713 MPa和11.825~13.275 MPa之間。當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %時，PES/CF/CB燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均高于未添加CF時PES/CB燒結(jié)件，達(dá)到本組實驗數(shù)據(jù)的最大值分別為7.713、13.275 MPa和1.1 kJ/m2。

圖2 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時燒結(jié)件的力學(xué)性能變化曲線

結(jié)合SEM照片及力學(xué)性能變化曲線分析，當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %時相較于未添加CF時的燒結(jié)件，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均出現(xiàn)小幅下降。這是由于少量CF的添加，對燒結(jié)件力學(xué)性能的提升不足以彌補(bǔ)纖維狀的CF與納米級的CB因結(jié)構(gòu)上較大差異而在燒結(jié)件內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷，導(dǎo)致燒結(jié)件力學(xué)性能受到削弱。由圖3可以看出，當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %時，拔出的CF表面黏結(jié)有PES，表面粗糙，CF被PES較為充分地包覆，界面結(jié)合情況良好，CF與PES之間的機(jī)械嚙合情況較好，使得燒結(jié)件的力學(xué)性能得到了小幅提升。

隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，一方面能夠使復(fù)合材料形成更加完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，具有更加優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，使PES基體在激光燒結(jié)過程中可以更均勻地受熱，使得PES熔融更加充分更好地包覆CF，減少了燒結(jié)件內(nèi)部殘余應(yīng)力；另一方面由于CF的較大長徑比結(jié)構(gòu)，當(dāng)CF由PES基體中拔出時需要克服基體對CF的黏結(jié)力，吸收了外界能量。CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5 %時，CF對燒結(jié)件力學(xué)性能產(chǎn)生的有益效果彌補(bǔ)了CF和CB因結(jié)構(gòu)的差異而在燒結(jié)件內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷，使得PES/CF/CB燒結(jié)件力學(xué)性能得到提升。隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，PES基體的進(jìn)一步減少，燒結(jié)件力學(xué)性能又出現(xiàn)小幅下降，這是由于基體PES不足以充分包覆全部CF，部分CF出現(xiàn)聚集，當(dāng)受外力時造成燒結(jié)件內(nèi)部局部應(yīng)力集中并使集中處成為斷裂源，導(dǎo)致燒結(jié)件力學(xué)性能的下降。

對于沖擊強(qiáng)度而言，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度主要與PES基體在沖擊過程中吸收沖擊能量的多少有關(guān)，吸收能量越多沖擊強(qiáng)度越大。當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，CF和CB在基體中產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致了沖擊強(qiáng)度的下降；隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，CF從PES基體拔出時也會吸收部分沖擊能量，使得復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度有所提升；當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，PES基體不足，部分CF聚集，燒結(jié)件內(nèi)部致密程度下降，因此沖擊強(qiáng)度又逐漸下降。

圖3 拔出CF的表面形貌

l  CF對燒結(jié)件導(dǎo)電性能的影響

圖4所示為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0增加到3 %時PES/CF/CB燒結(jié)件的導(dǎo)電性能變化曲線。由曲線可以看出，CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，PES/CF/CB燒結(jié)件的電阻率呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，燒結(jié)件的電阻率從191.03 Ω•m下降至65.89 Ω•m；電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，燒結(jié)件的電導(dǎo)率從5×10-3 S/m提高至15×10-3 S/m。

圖4 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時燒結(jié)件的導(dǎo)電性能變化曲線

根據(jù)導(dǎo)電性能變化曲線分析，在未加入CF時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的CB在PES基體中形成了較為完整的導(dǎo)電通路，實現(xiàn)了復(fù)合材料的近程導(dǎo)電。復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與基體中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成密切相關(guān)。CF的添加，具有較大長徑比的CF可以對相鄰的CB導(dǎo)電通路起到“橋接”作用，使燒結(jié)件中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加完整，并且游離的電子可以沿著CF長度方向發(fā)生運動，實現(xiàn)復(fù)合材料的遠(yuǎn)程導(dǎo)電。

當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %~2 %時，CF相對較少，CF之間基本上不存在“導(dǎo)電通道”，主要是CF對已有CB導(dǎo)電通路的“橋接”作用，完善了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而使得燒結(jié)件電阻率的下降。當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，如圖1（d）所示，可以看到CF聚集的現(xiàn)象，CF之間的直接接觸保證了PES/CF/CB激光燒結(jié)件的電阻率持續(xù)下降的趨勢。

可見，燒結(jié)件電阻率的下降是由上述多種因素共同影響的結(jié)果：一方面是由于CF對已有CB導(dǎo)電通路的“橋接”作用，在PES基體中形成了由CF和CB組成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；另一方面是由于部分CF在PES基體中形成了直接接觸。因此，本實驗CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加增強(qiáng)了PES/CF/CB復(fù)合材料燒結(jié)件的導(dǎo)電性能。

l CF對燒結(jié)件表面質(zhì)量的影響

圖5所示為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0增加到3 %時PES/CF/CB燒結(jié)件表面粗糙度的變化曲線。曲線表明，隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PES/CF/CB燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值不斷增大，燒結(jié)件表面變得粗糙。在未加入CF時，PES/CB燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值為13.416 μm，隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3 %，PES/CF/CB燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值上升至15.936 μm。

圖6為不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)件的表面形貌。圖6（a）為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時，PES/CB燒結(jié)件表面有較多孔洞；圖6（b）為CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，PES/CF/CB燒結(jié)件表面孔洞數(shù)量增加，并且有裸露的CF存在，燒結(jié)件表面變得更加粗糙。這說明CF的添加對PES/CF/CB燒結(jié)件表面質(zhì)量有不利影響。

圖5 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)件的表面質(zhì)量變化曲線

圖6 不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時燒結(jié)件的表面形貌

結(jié)合表面粗糙度值變化曲線和燒結(jié)件表面形貌照片分析，隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PES/CF/CB燒結(jié)件表面質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢，這是因為纖維狀CF的加入使得復(fù)合粉末流動性下降，粉末層表面鋪粉不平整，從而導(dǎo)致燒結(jié)件的表面質(zhì)量下降。此外，由于CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，限制了燒結(jié)過程中聚醚砜樹脂的熔融流動，隨著基體PES進(jìn)一步減少，使得基體不能很好地包覆填料，從而燒結(jié)件表面留有孔隙，導(dǎo)致燒結(jié)件表面越來越粗糙，表面質(zhì)量變差。

 結(jié)論

（1） 1.5 %CF的添加對PES/CF/CB復(fù)合粉末燒結(jié)件的力學(xué)性能具有一定的增強(qiáng)作用，PES/CF/CB燒結(jié)件拉伸強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均高于未添加CF時PES/CB燒結(jié)件，達(dá)到本組實驗數(shù)據(jù)的最大值分別為7.713、13.275 MPa和1.1 kJ/m2。

（2） CF的添加，在一定程度上增強(qiáng)了PES/CF/CB激光燒結(jié)件的導(dǎo)電性能，燒結(jié)件的電阻率從191.03 Ω•m下降至65.89 Ω•m；燒結(jié)件的電導(dǎo)率從5×10-3S/m提高至15×10-3S/m。

（3） PES/CF/CB激光燒結(jié)件表面質(zhì)量隨著CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸變差，燒結(jié)件的輪廓算術(shù)平均偏差Ra值由13.416 μm上升至15.936 μm。

DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.003

引用本文：

陳暉,孫玲勝,錢偉棟等.選擇性激光燒結(jié)聚醚砜樹脂/碳纖維/炭黑復(fù)合材料的性能研究[J].中國塑料,2023,37(09):14-18.

(責(zé)任編輯：admin)

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