碳纤维增强覆膜砂选择性激光烧结成型性能研究

摘要

选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）是快速成型技术（Rapid prototyping technology，RP）中的一个重要分支，因其成型材料的多样性、无需专用工具且不受零件形状复杂程度的限制等优势，在航空航天、汽车、医疗等众多领域得到了广泛的应用。将选择性激光烧结技术与精密铸造技术相结合，可以减少木模、模样等的设计与制造，实现砂型/芯的一体化，制造出技术要求更高的复杂铸件。目前 SLS快速成型烧结件存在初强度低，溃散性较差等问题，限制了其在精密复杂铸件上的应用。本文以碳纤维为增强材料，覆膜砂为基体材料，对碳纤维增强覆膜砂选择性激光烧结成型性能进行研究，主要的研究内容和结论如下：
　　采用气相氧化、浓硝酸氧化及浓硝酸与硅烷偶联剂共同处理三种不同的表面改性方法对碳纤维表面进行改性处理，研究了不同改性处理的碳纤维对覆膜砂SLS烧结件初强度及后固化强度的影响，通过微观形貌发现，浓硝酸与偶联剂共同改性处理后的碳纤维沟槽刻蚀和粗糙程度较其他改性方法更为显著，有利于提高碳纤维与覆膜砂基体之间的结合，并且在覆膜砂中能够实现均匀分布，通过力学性能测试，抗拉初强度和抗弯初强度分别为：0.372MPa和0.56MPa，后固化抗拉强度和抗弯强度分别为6.385MPa和8.011MPa。
　　通过添加不同比例的碳纤维，研究了碳纤维含量对烧结件初强度、后固化强度、溃散性、发气量及透气性的影响规律。结果表明，在覆膜砂中添加3wt％的碳纤维有利于提高烧结件的初强度，烧结件的抗拉初强度和抗弯初强度比未添加碳纤维的覆膜砂分别提高了23.18%和31.46%。在一定范围内，随着碳纤维含量的增加，后固化强度先增加后迅速降低，并在碳纤维含量为3wt%时达到最高，其后固化抗拉强度和后固化抗弯强度比未添加碳纤维的覆膜砂分别提高了24.71%和23.13%；焙烧温度在280℃时，覆膜砂的残余强度随碳纤维含量的增加先增大后降低，当焙烧温度达到380℃以上时，覆膜砂的残余强度随着碳纤维含量的增加而降低；碳纤维的加入对覆膜砂的发气量影响较小，而对透气性的影响相对较大，随着碳纤维添加量的增加，覆膜砂的透气性逐渐降低。
　　通过对 SLS成型过程中影响烧结件质量的各个参数进行分析，采用正交试验法对SLS工艺参数进行优化，得到最佳烧结工艺为：预热温度为60℃，激光功率为42W，扫描速度为2.5m/s，铺粉层厚为0.15mm。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 快速成型技术的发展现状

1.3 选择性激光烧结技术概述

1.4 选择性激光烧结覆膜砂型（芯）的研究现状

1.5 碳纤维及其复合材料概述

1.6研究目的及研究内容

第2章 实验内容与方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.4测试与表征

第3章 碳纤维对覆膜砂SLS成型性能的影响

3.1表面改性对碳纤维增强覆膜砂材料SLS成型强度的影响

3.2碳纤维的添加对覆膜砂SLS烧结件成型性能的影响

3.3本章小结

第4章 碳纤维增强覆膜砂SLS工艺参数的优化

4.1 碳纤维增强覆膜砂材料的激光烧结机理

4.2 SLS工艺参数对烧结件性能的影响分析

4.3 SLS工艺参数的优化

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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