3D打印连续碳纤维/环氧树脂复合材料的耐高温性能研究

论文信息

2025年，《Composites Communications》发表了有关一种高玻璃化转变温度（Tg）的3D打印连续碳纤维增强聚合物复合材料研究的论文，论文标题为《3D printing of continuous carbon fibre reinforced high-temperature epoxy composites》。

背景意义

用粘度高的热塑性基体进行3D打印样品的内部通常会形成空隙，并且很难实现高纤维体积分数。相比之下，连续碳纤维增强环氧树脂粘度低，可实现出色的纤维浸渍，同时通常具有更好的润湿性和更强的界面粘合。但研究人员之前研究的固体环氧树脂来自商业供应商，表现出相对较低的Tg，约为127.84°C，这不符合航空航天应用的要求，通常需要Tg高于200°C。因此，本研究旨在开发一种Tg高于200°C，超过当前**热塑性塑料（包括PEEK和PPS），用于高温场合的3D打印连续碳纤维增强聚合物复合材料。

内容简介

材料：连续碳纤维丝束（3K）；在实验室中配制的固体环氧树脂。

在51.43°C处为吸热峰。随着温度的升高，固化过程从190°C开始，放热峰值为 231.08°C。这种固体环氧树脂体系的固化放热值（240 J/g）相比于标准液体环氧体系（500 J/g）低，降低了复合材料中热失控的风险。图1b所示，在 263.73°C处观察到玻璃化转变峰，并且在300°C以下没有发生热降解，证实了环氧树脂系统出色的热稳定性。图3c表明Tg非常高，为279.24°C。

纵向拉伸强度达到1006 MPa，与钛合金相当。该值低于之前研究中复合材料的拉伸强度，归因于本研究中使用的环氧树脂和低级碳纤维的粘度较高。选择这种树脂是因为它具有更强的耐高温性，但其较高的粘度导致纤维浸渍效果不佳，从而导致机械强度略有降低。结果表明，平均弯曲强度和弯曲模量分别为 431.8 MPa 和30.9 GPa。图4d结果表明其性能优于许多现有材料，包括短碳纤维和连续碳纤维增强热塑性复合材料。虽然传统复合材料表现出更高的机械性能，但本研究的3D打印连续碳纤维增强热固性系统在热性能方面取得进展。

为了探索高性能CCF/环氧树脂材料在本研究中的潜在应用，设计了一个打印的蜂窝结构示范案例。它们的结构对齐，表现出极好的一致性，没有观察到明显的偏差。这些结果证实，在等温载荷条件下，蜂窝结构没有发生明显的变形。使用这种新型环氧树脂粉末制造的后固化复合材料在高温下表现出***的热稳定性。

主要结果

这项工作研究了一种用于连续碳纤维增强热固性复合材料3D打印的新型环氧粉末系统。其结论如下：

（1）后固化部件表现出约280 °C的高玻璃化转变温度，在300 °C以下未检测到热降解。

（2）打印复合材料的弯曲强度为 431.8 MPa，弯曲模量为 30.9 GPa，与其他 3D 打印复合材料相当。

（3）蜂窝结构被成功打印出来，该结构在200 °C的等温载荷下进行了测试，没有明显的变形，证实了其优异的耐热性。

来源：复材打印、迈爱德编辑整理