西北工業(yè)大學(xué)高峰教授：FDM增材制造BST/PVDF-ABS復(fù)合材料的正交實(shí)驗(yàn)研究

來(lái)源：復(fù)合材料學(xué)報(bào)
作者：彭銘宇, 劉書(shū)航, 魏子堯, 馮曉穎, 盧銘鑫, 李岱恒, 許杰, 高峰*
單位：西北工業(yè)大學(xué)　材料學(xué)院，凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

目的
鈦酸鍶鋇（BST）/聚偏氟乙烯（PVDF）基功能復(fù)合材料因其出色的介電可調(diào)性和機(jī)械加工特性而引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而通過(guò)傳統(tǒng)的流延成型工藝制備的BST/PVDF復(fù)合材料難以成型復(fù)雜形狀，極大限制了其應(yīng)用。為解決這一問(wèn)題，本文采用熔融沉積增材制造工藝（FDM）制備BST/PVDF-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）復(fù)合材料，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索制備工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料體積變化率、密度、介電性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，優(yōu)化工藝常數(shù)。

方法
以20 vol% BST、64 vol% PVDF和16 vol% ABS為原料，首先使用KH550和30wt%H2O2對(duì)BST粉體進(jìn)行表面處理從而改善陶瓷/聚合物的界面相容性。隨后將BST粉體與PVDF、ABS通過(guò)球磨混合，得到BST/PVDF-ABS復(fù)合粉體。將復(fù)合粉體放入雙螺桿擠出機(jī)中，調(diào)整擠出參數(shù)得到BST/PVDF-ABS復(fù)合線材。以復(fù)合線材為原料，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表制備不同工藝參數(shù)（打印溫度、平臺(tái)溫度、打印速度）的樣品，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)極差分析和方差分析確定優(yōu)選的工藝參數(shù)組合，對(duì)優(yōu)選組別進(jìn)行介電性能和力學(xué)性能測(cè)試，從而得到最佳工藝參數(shù)。

結(jié)果
正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①對(duì)體積變化率的極差分析得出打印參數(shù)對(duì)體積變化率的影響依次為：打印溫度＞打印速度＞平臺(tái)溫度，最佳工藝參數(shù)為打印溫度為240℃，平臺(tái)溫度為90℃，打印速度為50 mm/s，但方差分析中平臺(tái)溫度和打印速度的均方和都小于誤差列，結(jié)果也無(wú)法證明某一打印參數(shù)對(duì)體積變化率影響具有顯著性。②對(duì)相對(duì)密度的極差分析得出打印參數(shù)對(duì)相對(duì)密度的影響依次為打印溫度＞打印速度＞平臺(tái)溫度，最佳工藝參數(shù)為打印溫度為240℃，平臺(tái)溫度為80℃，打印速度為30 mm/s，方差分析結(jié)果表明打印溫度對(duì)相對(duì)密度影響顯著。根據(jù)兩組正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果得出最佳打印溫度為240℃，通過(guò)對(duì)優(yōu)選組別進(jìn)行介電性能和力學(xué)性能測(cè)試確定最佳平臺(tái)溫度和打印速度，結(jié)果表明：①相同的打印溫度下，打印速度的增加會(huì)降低實(shí)際打印擠出量，造成樣品相對(duì)密度下降。②相同的打印溫度下，更高的平臺(tái)溫度（100℃）和更低的打印速度（30 mm/s）相互配合，有利于聚合物熔融充分和層間愈合，從而提高材料的介電性能。③對(duì)力學(xué)性能而言，體積變化率同樣十分重要，體積變化率對(duì)力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在低的體積變化率往往意味著打印樣品具有更規(guī)則的尺寸結(jié)構(gòu)，可有效降低拉伸測(cè)試過(guò)程中因樣品翹曲、變形引起的應(yīng)力集中。

結(jié)論
① 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和極差分析，表明打印溫度為240℃時(shí)，樣品呈現(xiàn)出更高的尺寸穩(wěn)定性和相對(duì)密度，F(xiàn)DM工藝參數(shù)的重要度依次為：打印溫度＞打印速度＞平臺(tái)溫度。②優(yōu)化出BST/PVDF-ABS復(fù)合材料的FDM最佳制備工藝參數(shù)：打印溫度為240℃，平臺(tái)溫度為100℃，打印速度為30 mm/s。采用該工藝參數(shù)制備出的復(fù)合材料介電常數(shù)為11.20，介電損耗為0.0138，拉伸強(qiáng)度為35.03 MPa，有望用于航空航天結(jié)構(gòu)-功能一體化可調(diào)諧部件。

作者團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介
第一作者
彭銘宇
彭銘宇，碩士，研究方向?yàn)锽ST/polymer介電復(fù)合材料。

通信作者
高峰
高峰，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛袡C(jī)/無(wú)機(jī)介電功能復(fù)合材料的制備與性能。

引用格式：
彭銘宇, 劉書(shū)航, 魏子堯, 等. FDM增材制造BST/PVDF-ABS復(fù)合材料的正交實(shí)驗(yàn)研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2025, 42(3): 1644-1652.