通过磁场辅助增材制造（MFAAM）技术制备的尼龙12/锶铁氧体复合材料的力学性能评估

《Materials Science and Engineering: B》：Evaluation of mechanical properties of nylon 12/strontium ferrite composite fabricated via magnetic field-assisted additive manufacturing (MFAAM)

磁流变成型技术制备尼龙12/锶铁氧体复合材料，探究10%、35%、54%填充浓度下力学性能。发现拉伸强度与基体相近，弯曲强度提升11%-18%，弹性模量提高16%-70%。热分析与SEM验证微观结构及工艺优化效果。

　　本研究探讨了使用磁场所辅助的增材制造（MFAAM）技术制造尼龙12/锶铁氧体（SrFe??O??）磁性复合材料的可行性。这些材料可以作为消费电子和医疗设备中永久磁体的替代制造方法。尼龙12是一种常用的聚合物基体，因其良好的熔融流动性而易于加工。锶铁氧体作为一种磁性填料，具有较高的居里温度、成本低廉、耐腐蚀性好以及良好的机械性能，使其成为MFAAM技术的理想选择。研究的重点在于评估不同磁性填料浓度下，尼龙12/SrFe??O??复合材料的拉伸和弯曲性能，以判断其是否能在保持原有聚合物性能的同时，具备足够的机械强度来满足实际应用需求。

在MFAAM过程中，磁性场被施加于打印区域，以增强复合材料的磁性和机械性能。研究采用了三种不同的磁性填料浓度：10 wt%、35 wt% 和 54 wt%。通过使用改良的开源TAZ 5打印机，这些复合材料被打印在零磁场和0.3–0.5特斯拉的磁场条件下，磁场方向与打印床和打印方向平行。材料的制备过程中，使用了共旋转双螺杆挤出机生产的尼龙12/SrFe??O??丝材。通过一系列机械、热学和形态学测试，研究评估了复合材料的综合性能。

结果显示，在35 wt%的填料浓度下，MFAAM制造的复合材料在拉伸强度方面与纯尼龙12表现相似，而在10 wt%时表现出7%的提升，而在54 wt%时则下降了12%。这一变化表明，随着填料浓度的增加，材料的机械性能可能会受到影响，特别是在较高浓度下，可能会出现脆性行为。对于弯曲性能，10 wt%和35 wt%的填料浓度分别带来了11%和18%的提升，而54 wt%时则出现了6%的下降。这说明在适当的填料浓度下，MFAAM技术可以有效增强复合材料的机械性能，但过高的浓度可能对材料的加工性和性能产生负面影响。

在拉伸模量方面，MFAAM复合材料在10 wt%、35 wt% 和 54 wt%的填料浓度下分别提升了16.11%、44.30% 和 70.47%。而在弯曲模量方面，分别提升了14%、29.37% 和 34.92%。这些数据表明，MFAAM技术能够显著提高复合材料的刚性和强度，使其在特定应用场景下具备更好的性能表现。然而，随着填料浓度的增加，材料的加工性可能会受到影响，特别是在高浓度下，可能会出现粘度增加、喷嘴堵塞、流动性差和丝材弯曲等问题。

在之前的文献中，已有研究探讨了使用MFAAM技术制造磁性复合材料的可行性。例如，Huber等人使用MFAAM技术制造了含有不同体积百分比填料的聚合物基锶丝材，并在不同磁场条件下进行了打印。结果显示，随着填料浓度的增加，材料的加工性变差，但较高的打印温度可以降低粘度，提高流动性和打印质量。此外，通过优化打印参数，如层厚和填充率，可以进一步改善材料的机械性能。

Wang等人则研究了聚丙烯（PP）/尼龙6石墨填充复合材料的机械性能，使用FFF技术在不同填充方向下进行打印。结果显示，填充方向对材料的机械性能有显著影响，其中0°/0°方向表现出较高的机械性能，而90°/90°方向则表现出最弱的性能。这表明，通过调整填充方向，可以优化3D打印对象的机械性能。

Slapnik等人开发了一种基于热塑性聚氨酯（TPU）的新型丝材，用于制造磁性复合材料。研究发现，TPU基的磁性复合材料在高温下表现出更好的磁性性能，而尼龙12基的磁性复合材料则在高温下具有更高的弯曲模量和弯曲强度。然而，随着填料浓度的增加，材料的加工性可能会受到影响，特别是在高浓度下，可能会出现粘度增加、喷嘴堵塞和丝材弯曲等问题。

Huang等人则研究了使用MFAAM技术制造钢筋增强的3D打印混凝土的机械性能。结果显示，高浓度的钢筋可以提高混凝土的机械性能，但过高的浓度可能导致打印缺陷、喷嘴堵塞和材料性能下降。通过优化打印参数，如磁场强度和钢筋体积分数，可以提高磁性复合材料的性能。

Hajra等人比较了尼龙12/TPU复合材料和钕铁硼（NdFeB）磁性复合材料的机械、热学和磁学性能。结果显示，尼龙12/TPU复合材料表现出较高的柔性和适中的拉伸强度，而NdFeB磁性复合材料则表现出较低的拉伸强度和较差的断裂伸长率，但具有更强的磁性性能。然而，高浓度的磁性填料可能导致层间粘结性下降，影响材料的加工性和性能。

Paleari等人则研究了使用FFF技术制造聚醚醚酮（PEEK）磁铁纳米复合材料的可行性。研究发现，随着磁铁纳米填料浓度的增加，材料的刚性增强，但拉伸强度和延展性下降。这表明，高浓度的磁性填料可能导致材料的脆性行为，影响其加工性和性能。

综上所述，MFAAM技术在制造磁性复合材料方面具有显著优势，能够提高材料的机械性能和磁性性能。然而，随着填料浓度的增加，材料的加工性可能会受到影响，特别是在高浓度下，可能会出现粘度增加、喷嘴堵塞和丝材弯曲等问题。因此，找到合适的填料浓度和打印参数对于工业应用至关重要。此外，通过调整填充方向和优化打印参数，可以进一步改善材料的机械性能，使其在特定应用场景下具备更好的性能表现。