选择性激光烧结（selected laster sintering，SLS）技术是一种基于粉末材料的增材制造技术，由于SLS技术在制造零件时不需要支撑结构，材料利用率高并且能够获得复杂形状制件等优点，目前广泛应用于汽车、航空航天和生物医疗等行业。
高分子材料是最早引入激光烧结中的工程材料，具有质轻价廉、成形性能好等优点。近年来研究人员通过添加碳系、金属和金属氧化物等导电填料减少高分子材料的静电吸附危害，应用于电子器件和传感器等领域；相比于金属及其氧化物，炭黑、石墨等碳系填料具有来源广泛，成本低廉，性能优异等特点被广泛用于复合导电高分子材料的制备。
具有优异综合性能的热塑性高分子材料PES，具有良好的成形性能和可重复利用等特点，本实验选其为选择性激光烧结的基体材料。本课题组前期对PES/CF复合粉末和PES/CB复合粉末进行了激光烧结实验研究，结果表明，由于碳系填料自身的特性，单一碳系填料的聚醚砜树脂基复合材料激光烧结件难以获得优异的综合性能。比如，单一填料CF质量分数为5 %时，对PES/CF烧结件的力学性能具有增强的作用，但不能形成导电通路，若使PES/CF烧结件内部形成导电通路需添加质量分数为25 %的CF，此时会导致烧结件力学性能的大幅下降；单一填料纳米级的CB粉末作为填料的PES/CB激光烧结件具有优异的导电性能，但随着CB质量分数的进一步增加，烧结件的力学性能受到削弱。相关研究表明，CF可以在CB形成的导电网络中起到“桥接”的作用，使得复合材料在增强力学性能的同时具有更好的导电性能。
本文选取CB和CF作为混杂填料，PES作为基体，研究CB质量分数为2 %时，质量分数为0~3 %CF的添加对烧结件的显微组织、力学性能、导电性能和表面质量的影响。期望获得成本低廉、综合性能较好的PES/CF/CB复合粉末用于抗静电领域，同时进一步拓宽激光烧结材料种类。
实验部分(节选）
l 制样过程
本课题组前期研究发现经超声波分散后CB质量分数为2 %时，PES/CB激光烧结件内部初步形成导电通路，本实验设定CB粉末质量分数为2 %，通过添加0~3 %不同质量分数的CF，研究CF质量分数对于PES/CF/CB烧结件力学性能和导电性能的影响。在本课题组前期研究的基础上，设定本实验工艺参数为预热温度80 ℃、激光功率15 W、扫描速度2000 mm/s、分层厚度0.1 mm和扫描间距0.1 mm。
本实验按照CB质量分数为2 %，CF质量分数为0、0.5 %、1 %、1.5 %、2 %、2.5 %和3 %的配比制备PES/CF/CB复合粉末，具体步骤如下：将经过超声波分散的CB/无水乙醇悬浊液与CF和PES粉末充分混合后放入恒温干燥箱中干燥16 h，温度设置为45 ℃，干燥过程中每隔2 h对复合粉末翻动一次。利用高速混合机对烘干后复合粉末进行混合处理，最后将混合后的复合粉末进行筛分，得到均匀混合的不同实验组PES/CF/CB复合粉末。
l 性能测试与结构表征
采用电子万能力学试验机参照GB/T 1040.1—2018和GB/T 9341—2008对试样进行拉伸试验和3点弯曲试验，拉伸速率和弯曲速率均为5 mm/s，试样尺寸分别为150 mm×10 mm×4 mm和80 mm×10 mm×4 mm，每组测试5个试样；
采用摆锤式冲击试验机参照GB/T 1843—2008对冲击试样进行测试，试样类型为无缺口试样，冲击能量2J，冲击跨距62 mm，每组测试5个试样；
采用四探针测试仪参照GB/T 15738—2008对弯曲试样进行电阻率（ρ）的测定，并根据公式σ=1/ρ计算烧结件电导率σ；
试样断口喷金后采用SEM对试样断口进行显微组织观察；
利用粗糙度测试仪对烧结件的表面粗糙度进行测量，每组测量5个试样。
结果与讨论
l CF对烧结件显微组织的影响
图1为不同CF质量分数PES/CF/CB烧结件拉伸断口的SEM照片。图1（a）为CF质量分数为0时的PES/CB烧结件拉伸断口SEM照片，可见烧结件内部有孔隙和烧结颈的存在。图1（b）为CF质量分数为0.5 %时PES/CF/CB烧结件拉伸断口形貌，烧结件拉伸断口处可见嵌入PES中的CF以及CF拔出孔洞，CF被PES较为充分的包覆。图1（c）为CF质量分数为1.5 %时PES/CF/CB烧结件拉伸断口形貌，可见较多拔出的CF以及CF拔出孔，CF在PES中的取向呈现随机分布，在断面上可以发现不同角度的CF，CF与PES的界面结合情况较好。图1（d）为CF质量分数为3 %时PES/CF/CB烧结件拉伸断口形貌，可见有完全裸露的CF出现以及CF聚集的现象，这是由于增加了较高质量分数的CF使得基体PES含量不足，导致只有部分CF被较为充分地包覆，烧结件内部孔隙增多，致密程度变差。
图1 不同CF质量分数时烧结件的拉伸断口SEM照片
l CF对烧结件力学性能的影响
图2所示为CF质量分数为0增加到3 %时PES/CF/CB烧结件的力学性能变化曲线。由曲线可以看出，CF质量分数逐渐增加，PES/CF/CB烧结件的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均呈现先下降后上升再下降的趋势，但PES/CF/CB烧结件拉伸强度和弯曲强度变化不大，分别在7.248~7.713 MPa和11.825~13.275 MPa之间。当CF质量分数为1.5 %时，PES/CF/CB烧结件的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均高于未添加CF时PES/CB烧结件，达到本组实验数据的最大值分别为7.713、13.275 MPa和1.1 kJ/m2。
图2 不同CF质量分数时烧结件的力学性能变化曲线
结合SEM照片及力学性能变化曲线分析，当CF质量分数为0.5 %时相较于未添加CF时的烧结件，拉伸强度和弯曲强度均出现小幅下降。这是由于少量CF的添加，对烧结件力学性能的提升不足以弥补纤维状的CF与纳米级的CB因结构上较大差异而在烧结件内部产生的缺陷，导致烧结件力学性能受到削弱。由图3可以看出，当CF质量分数为1.5 %时，拔出的CF表面黏结有PES，表面粗糙，CF被PES较为充分地包覆，界面结合情况良好，CF与PES之间的机械啮合情况较好，使得烧结件的力学性能得到了小幅提升。
随着CF质量分数的增加，一方面能够使复合材料形成更加完整的导热网络，具有更加优异的导热能力，使PES基体在激光烧结过程中可以更均匀地受热，使得PES熔融更加充分更好地包覆CF，减少了烧结件内部残余应力；另一方面由于CF的较大长径比结构，当CF由PES基体中拔出时需要克服基体对CF的黏结力，吸收了外界能量。CF质量分数1.5 %时，CF对烧结件力学性能产生的有益效果弥补了CF和CB因结构的差异而在烧结件内部产生的缺陷，使得PES/CF/CB烧结件力学性能得到提升。随着CF质量分数的进一步增加，PES基体的进一步减少，烧结件力学性能又出现小幅下降，这是由于基体PES不足以充分包覆全部CF，部分CF出现聚集，当受外力时造成烧结件内部局部应力集中并使集中处成为断裂源，导致烧结件力学性能的下降。
对于冲击强度而言，复合材料的冲击强度主要与PES基体在冲击过程中吸收冲击能量的多少有关，吸收能量越多冲击强度越大。当CF质量分数较小时，CF和CB在基体中产生缺陷，导致了冲击强度的下降；随着CF质量分数的增加，CF从PES基体拔出时也会吸收部分冲击能量，使得复合材料冲击强度有所提升；当CF质量分数较高时，PES基体不足，部分CF聚集，烧结件内部致密程度下降，因此冲击强度又逐渐下降。
图3 拔出CF的表面形貌
l CF对烧结件导电性能的影响
图4所示为CF质量分数为0增加到3 %时PES/CF/CB烧结件的导电性能变化曲线。由曲线可以看出，CF质量分数逐渐增加，PES/CF/CB烧结件的电阻率呈现明显下降的趋势，烧结件的电阻率从191.03 Ω•m下降至65.89 Ω•m；电导率呈现明显上升的趋势，烧结件的电导率从5×10-3 S/m提高至15×10-3 S/m。
图4 不同CF质量分数时烧结件的导电性能变化曲线
根据导电性能变化曲线分析，在未加入CF时，质量分数为2 %的CB在PES基体中形成了较为完整的导电通路，实现了复合材料的近程导电。复合材料的导电性能与基体中导电网络结构的形成密切相关。CF的添加，具有较大长径比的CF可以对相邻的CB导电通路起到“桥接”作用，使烧结件中的导电网络更加完整，并且游离的电子可以沿着CF长度方向发生运动，实现复合材料的远程导电。
当CF质量分数为0.5 %~2 %时，CF相对较少，CF之间基本上不存在“导电通道”，主要是CF对已有CB导电通路的“桥接”作用，完善了导电网络，从而使得烧结件电阻率的下降。当CF质量分数为3 %时，如图1（d）所示，可以看到CF聚集的现象，CF之间的直接接触保证了PES/CF/CB激光烧结件的电阻率持续下降的趋势。
可见，烧结件电阻率的下降是由上述多种因素共同影响的结果：一方面是由于CF对已有CB导电通路的“桥接”作用，在PES基体中形成了由CF和CB组成的三维导电网络；另一方面是由于部分CF在PES基体中形成了直接接触。因此，本实验CF质量分数的增加增强了PES/CF/CB复合材料烧结件的导电性能。
l CF对烧结件表面质量的影响
图5所示为CF质量分数为0增加到3 %时PES/CF/CB烧结件表面粗糙度的变化曲线。曲线表明，随着CF质量分数的增加，PES/CF/CB烧结件的轮廓算术平均偏差Ra值不断增大，烧结件表面变得粗糙。在未加入CF时，PES/CB烧结件的轮廓算术平均偏差Ra值为13.416 μm，随着CF质量分数增加到3 %，PES/CF/CB烧结件的轮廓算术平均偏差Ra值上升至15.936 μm。
图6为不同CF质量分数烧结件的表面形貌。图6（a）为CF质量分数为0时，PES/CB烧结件表面有较多孔洞；图6（b）为CF质量分数为3 %时，PES/CF/CB烧结件表面孔洞数量增加，并且有裸露的CF存在，烧结件表面变得更加粗糙。这说明CF的添加对PES/CF/CB烧结件表面质量有不利影响。
图5 不同CF质量分数烧结件的表面质量变化曲线
图6 不同CF质量分数时烧结件的表面形貌
结合表面粗糙度值变化曲线和烧结件表面形貌照片分析，随着CF质量分数的增加，PES/CF/CB烧结件表面质量呈现逐渐变差的趋势，这是因为纤维状CF的加入使得复合粉末流动性下降，粉末层表面铺粉不平整，从而导致烧结件的表面质量下降。此外，由于CF质量分数的增加，限制了烧结过程中聚醚砜树脂的熔融流动，随着基体PES进一步减少，使得基体不能很好地包覆填料，从而烧结件表面留有孔隙，导致烧结件表面越来越粗糙，表面质量变差。
结论
（1） 1.5 %CF的添加对PES/CF/CB复合粉末烧结件的力学性能具有一定的增强作用，PES/CF/CB烧结件拉伸强度弯曲强度和冲击强度均高于未添加CF时PES/CB烧结件，达到本组实验数据的最大值分别为7.713、13.275 MPa和1.1 kJ/m2。
（2） CF的添加，在一定程度上增强了PES/CF/CB激光烧结件的导电性能，烧结件的电阻率从191.03 Ω•m下降至65.89 Ω•m；烧结件的电导率从5×10-3S/m提高至15×10-3S/m。
（3） PES/CF/CB激光烧结件表面质量随着CF质量分数的增加而逐渐变差，烧结件的轮廓算术平均偏差Ra值由13.416 μm上升至15.936 μm。
DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.003
引用本文：
陈晖,孙玲胜,钱伟栋等.选择性激光烧结聚醚砜树脂/碳纤维/炭黑复合材料的性能研究[J].中国塑料,2023,37(09):14-18.
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