基于工艺驱动的孔隙率控制技术：用于大面积增材制造的碳纳米管改性聚醚酰亚胺-短碳纤维复合材料

《COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING》：Process-Driven porosity Control in carbon Nanotubes-Modified Polyetherimide- short carbon fiber composites for Large-Area additive manufacturing

研究探讨了不同碳纳米管（CNT）负载对聚醚醚酮-短碳纤维（PEI-SCF）复合材料在大型面积增材制造（LAAM）中的流变学、孔隙率和机械性能的影响。结果表明，低CNT负载的PEI1材料在打印过程中表现出更好的流动性、更低的孔隙率和更高的机械强度（X轴150 MPa，Z轴50 MPa），而高CNT负载的PEI2因孔隙率增加（11%）导致性能下降。优化打印参数（如340℃温度和6.5秒层时间）可显著提升PEI1的打印质量与机械性能，同时发现CNT的加入显著降低材料的表面和体积电阻率（约6个数量级）。

　　### 对聚醚酰亚胺-短碳纤维复合材料中碳纳米管含量对性能影响的研究解读

本研究围绕聚醚酰亚胺（PEI）-短碳纤维（SCF）复合材料在大范围增材制造（LAAM）中的表现展开，重点探讨了碳纳米管（CNT）含量对材料的电学性能、流变特性、可打印性以及机械性能的影响。随着增材制造技术的不断进步，特别是在大范围应用领域，如航空航天、汽车制造和建筑结构，对材料性能的要求日益提高。PEI作为一种高性能热塑性工程塑料，因其良好的耐热性、机械强度和电绝缘性而被广泛应用于各种工业场景。然而，当它被用于增材制造时，如何优化材料配方以实现更优的性能，成为研究的热点。

#### 材料配方与制造工艺的考量

研究中采用了两种不同的PEI-SCF复合材料配方，分别为PEI1和PEI2。两者的SCF含量相似，但CNT的添加量不同。PEI1的CNT含量较低，约为0.2%-0.3%，而PEI2的CNT含量较高，约为0.4%-0.6%，是PEI1的两倍。这种配方差异直接影响了材料的物理和化学特性，进而影响其在增材制造过程中的表现。

在制造过程中，复合材料被通过双螺杆共混机进行加工，温度控制在300-340℃之间。在这一过程中，观察到较高的CNT含量导致了材料粘度的增加以及挤出颗粒中孔隙率的上升。粘度的增加可能影响材料在挤出过程中的流动特性，从而影响最终打印结构的均匀性和质量。孔隙率的增加则可能导致材料在后续加工中出现结构缺陷，影响其机械性能。

#### 流变特性与打印性能的关系

流变特性是影响增材制造过程的重要因素之一。在研究中，通过频率扫描和小振幅振荡剪切测试，分析了PEI1和PEI2在不同温度下的流变行为。结果显示，PEI2的存储模量（G'）和损耗模量（G''）均高于PEI1，这表明PEI2表现出更强的弹性行为。这种特性使得PEI2在挤出过程中更容易形成结构不稳定的状况，如表面褶皱和珠状结构的错位，特别是在较短的层间时间下更为明显。

相比之下，PEI1的G''高于G'，这有助于实现更稳定的挤出行为，从而保证打印过程中材料的均匀流动。这种流变特性对于确保打印质量至关重要，因为较高的粘性（G''）有助于维持材料在挤出后形成的结构完整性，而较高的弹性（G'）则可能影响材料的冷却过程和层间结合。

#### 电学性能的提升

在电学性能方面，研究发现添加CNT显著降低了PEI复合材料的表面和体积电阻率。特别是，PEI2的CNT含量进一步减少了电阻率，使其达到ESD（静电放电）安全范围。这一发现表明，CNT的引入可以有效提升PEI材料的导电性，使其在需要电性能的工业应用中具有更高的实用性。

然而，尽管CNT的加入提升了电学性能，但也对材料的其他特性产生了影响。例如，由于CNT的高粘性，PEI2在挤出过程中需要更高的温度来维持其流动性，这可能导致材料在冷却过程中出现更多的孔隙和结构缺陷，从而影响其机械性能。这种电学与机械性能之间的权衡，是研究中需要关注的一个重要方面。

#### 机械性能的分析

机械性能是评估复合材料性能的关键指标之一。在研究中，通过不同方向（X方向和Z方向）的拉伸测试，分析了PEI1和PEI2在增材制造后的表现。结果显示，PEI1在X方向的强度保留率优于PEI2，特别是在较长的层间时间下。这一现象可以归因于PEI1在挤出过程中形成了更低的孔隙率和更均匀的结构，从而提高了其机械强度。

在Z方向的强度方面，PEI1和PEI2的表现则有所不同。PEI1在340℃和6.5秒的层间时间下表现出最佳的Z方向强度保留率，而PEI2由于较高的粘性和更差的流变特性，其Z方向强度保留率较低。这表明，在优化增材制造参数时，需要综合考虑材料的流变特性、孔隙率以及层间结合情况，以实现最佳的机械性能。

#### 打印参数对性能的影响

打印参数的选择对复合材料的最终性能具有重要影响。研究中通过调整挤出温度和层间时间，探讨了这些参数如何影响PEI1和PEI2的打印质量与机械性能。结果表明，较低的挤出温度和较长的层间时间有助于减少孔隙率，提高打印质量。然而，这种调整也会对Z方向的强度产生负面影响，因为较长的层间时间可能导致材料在冷却过程中出现更多的结构缺陷。

此外，研究还发现，PEI1在较宽的打印参数范围内表现出更好的可打印性。这表明，PEI1在实际应用中可能具有更大的灵活性，可以适应不同的打印条件而不影响其性能。而PEI2由于较高的粘性和较差的流变特性，其打印参数范围相对较窄，限制了其在实际应用中的适用性。

#### 材料设计与应用前景

本研究不仅揭示了CNT含量对PEI-SCF复合材料性能的影响，还为未来的材料设计提供了重要的参考。通过优化CNT的添加量和打印参数，可以实现材料在不同方向上的性能平衡。例如，PEI1在较低的CNT含量下表现出较高的X方向强度和较好的Z方向强度保留率，而PEI2虽然在电学性能上有所提升，但其机械性能和打印质量相对较差。

这些发现对于开发高性能、多功能的PEI复合材料具有重要意义。通过合理设计材料配方和打印参数，可以在保持材料优良机械性能的同时，提升其电学性能，从而满足更多工业应用的需求。此外，研究还指出，通过降低挤出温度和延长层间时间，可以有效减少孔隙率，提高打印质量，这为未来的增材制造工艺优化提供了新的思路。

#### 未来研究方向

尽管本研究取得了重要的成果，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，如何在不同CNT含量下平衡材料的电学性能和机械性能？如何通过优化打印参数来进一步减少孔隙率并提高Z方向的强度？此外，对于不同类型的填充材料（如SCF和CNT的混合填充系统），其对材料性能的影响机制还有待深入研究。

未来的研究可以进一步探索这些填充材料在不同加工条件下的行为，以及它们如何影响材料的微观结构和宏观性能。通过这些研究，可以为增材制造技术的发展提供更全面的理论支持和实践指导，推动高性能复合材料在更多领域的应用。