直写式3D打印连续SiO2纤维增强SiO2/磷酸盐复合材料及其性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuyuwei1210
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3D打印技术具有工艺简单、可充分利用原材料及可实现复杂结构快速成型等优势,3D打印纤维增强材料目前是一大研究热点,其中连续纤维增强材料的3D打印成型仅出现在FDM技术中,使用浆料直写式3D打印技术制备连续纤维增强材料的相关研究鲜有报道。本文提出了一种在纤维无动力源的情况下,采用浆料直写型3D打印制备连续纤维增强材料的技术。通过对打印针头结构的设计,结合对浆料流变性能的调控,基于3D打印透波材料的研究背景,以纳米SiO2粉末和磷酸盐为原料,以连续SiO2纤维为增强相,成功实现了连续SiO2纤维增强SiO2/磷酸盐复合材料的3D打印成型。研究表明,增加纳米SiO2和固化剂含量均可使SiO2/磷酸盐浆料粘度增大,且纳米SiO2可改善浆料的剪切变稀行为,将基础磷酸盐转变为非牛顿流体。温度对SiO2/磷酸盐组织结构影响较大,随温度升高,材料发生脱水缩合反应生成磷酸盐,固化后的物相组成主要为Al(H2PO43和AlPO4。SiO2/磷酸盐属于低介电常数材料,透波性能良好,增加固化剂和SiO2含量对材料力学性能和介电性能均有提升。有限元仿真结果表明,双针头结构中外针头直径和内外针头交叉点位置对浆料流场影响显著,外针头直径越大、内外针头交叉点位置越高,浆料流速越大,纤维出口处浆料剪切速率也越大,纤维越易被浆料带出;采用3D打印成型制备连续SiO2纤维增强SiO2/磷酸盐复合材料时,将打印机底板加热至50°C70°C更有利于加速坯体固化,提高成型精度。本课题设计的连续纤维增强3D打印技术制得的SiO2纤维增强SiO2/磷酸盐复合材成型精度高,纤维在基体中分布均匀连续,与基体结合较好。连续SiO2纤维增强使得SiO2/磷酸盐材料显气孔率降低,抗弯强度提高;SiO2纤维使材料介电性能得到显著提升,当基体中SiO2含量为20%,SiO2纤维体积分数为10%时,复合材料介电常数为1.2,较基体材料本身的介电常数降低了43.4%;介电损耗角正切值为1.5?10-2,较基体材料降低了70%。
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