連續(xù)碳纖維增強方式的應(yīng)用
在復(fù)合材料中使用纖維增強體的原理是：增強纖維一般都比基體材料更耐磨、強度更大，力學(xué)性能也更好，當復(fù)合材料面對彎曲或剪切破壞時，增強體纖維就會從基體中拔出，在拔出的同時，也抵消或者吸收了一部分外加載荷帶來的能量。在一定長度范圍內(nèi)，一般纖維越長，拔出時吸收的能量就越多，對復(fù)合材料的強度貢獻越大。而且，對于相同體積含量的復(fù)合材料來說，單根纖維越長就意味著纖維根數(shù)越少，較少的纖維數(shù)量在端部造成的應(yīng)力集中也就會相應(yīng)降低，這對復(fù)合材料的整體性能都有積極作用。另外，有研究顯示，連續(xù)性、更長的碳纖維可以提供更多的潤滑作用，在這種持續(xù)、穩(wěn)定的潤滑作用下，摩擦系數(shù)就會減小，磨損量變小，所形成的磨屑也更為細微。
相比國內(nèi)較為常見的短切碳纖維或碳纖維粉末增強熱塑性復(fù)合板材料產(chǎn)品，無錫智上新材料科技有限公司推出的采用連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料制作的產(chǎn)品，其將短切或粉末碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的性能提升了一大步。這種優(yōu)勢有利于制品在高頻率、高載荷運行中提供更穩(wěn)定、更堅固的功效。目前，采用連續(xù)碳纖維增強方式較為成熟的產(chǎn)品包括骨外科外固定支架、瞄準器支架等骨外科醫(yī)療器械零部件等。
激光連接技術(shù)的應(yīng)用
受成型模具的限制，復(fù)雜的cfrt構(gòu)件一般通過多個零部件連接而成，接連接頭部位成為整個結(jié)構(gòu)件最薄弱的部分，接頭的質(zhì)量將直接決定 CFRTP 構(gòu)件的疲勞強度和使用壽命。當前CFRTP最常用的連接方法有機械連接、膠結(jié)、焊接等。其中，焊接利用了CFRTP基體材料熱塑性樹脂二次熔融的特點，通過加熱熔融連接界面，使樹脂分子擴散完成連接。該方法使連接界面與基體材料有良好的相容性，連接強度和環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于膠結(jié)方法，連接件的應(yīng)力分布比機械連接更均勻，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，且焊接工藝時間短，便于實現(xiàn)自動化。
其中，作為一種非接觸式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接強度高、振動應(yīng)力小、適焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢，在CFRTP的焊接上具有良好的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對CFRTP激光焊接技術(shù)開展了一些探索性研究，主要包括激光穿透焊接技術(shù)、激光直接連接技術(shù)等。
激光穿透焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)透明樹脂之間，透明樹脂與CFRTP或不透明樹脂之間，以及透明樹脂與金屬材料之間的焊接（連接）。中科院寧波材料所利用激光直接連接技術(shù)實現(xiàn)CFRTP與不銹鋼、鋁合金之間的連接，通過對不同參數(shù)下的連接強度進行對比，對接頭斷裂面的微觀形貌進行測試分析，發(fā)現(xiàn)在不銹鋼的表面粘結(jié)了大量CFRTP樹脂基體材料，說明連接強度超過了樹脂基體的強度，同時發(fā)現(xiàn)在連接接頭有氣孔及微細裂紋的存在，連接質(zhì)量還有待進一步提高。
打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的新型打印頭
目前，基3D打印制備碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的研究主要圍繞短碳纖維增強聚合物，而3D打印連續(xù)碳纖維增強聚合物的研究相對較少，且難度較大， 打印出的成品層間粘結(jié)性不強，影響結(jié)構(gòu)彎曲性能。
不同于傳統(tǒng) FDM技術(shù)打印單一熱塑性材料，以聚乳酸（PLA）為熱塑性基體材料，以連續(xù)碳纖維為增強材料，設(shè)計出的可打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的新型打印頭，由擠出電機、加熱塊、碳纖維導(dǎo)管和噴嘴等組成。打印時，加熱塊內(nèi)的熱塑性材料受熱融化，碳纖維導(dǎo)管出口處的碳纖維與熔融狀態(tài)的熱塑性材料融合，在擠出電機的推動下，一同從噴嘴擠出并快速固化，粘在打印平臺上，同時將連續(xù)碳纖維從導(dǎo)管中拉出，實現(xiàn)3D打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料。
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