KRÜSS于1796年誕生于德國漢堡，是表面科學儀器領域的全球領導品牌。先后研發了世界上第一臺商用全自動表面張力儀和第一臺全自動接觸角測量儀，榮獲多次國際工業設計大獎和德國中小企業最具創新能力TOP100榮譽。其它產品還包括各類動態表面張力儀、泡沫分析儀、界面流變儀和墨滴形狀分析儀等。

背景

碳酚醛是一種在熱固性酚醛樹脂(thermosettingphenolicresin, TSPR)基體中加入連續碳纖維(continuouscarbonfiber, CCF)增強物的復合材料，由于TSPR熱固化形成的三維交聯結構具有高強度和高硬度等特性，同時CCF彌補了短纖維力學性能的不足，碳酚醛既滿足熱防護需求又滿足結構強度需求。

本文基于前期已提出的分步式連續纖維增強熱固性復合材料3D打印策略，提出了一種連續纖維增強熱固性酚醛樹脂的3D打印制備工藝，設計了纖維浸漬-樹脂原位預固化-打印樣件后固化的成型方式，系統研究了酚醛樹脂浸漬和固化過程的溫度依賴性，分析了打印參數對樣件結構和性能的影響規律，成功制備了力學性能良好的連續纖維增強酚醛樹脂復合材料。

實驗方法

制備

本文采用浸漬-原位預固化-后固化的3D打印成型方法制備連續纖維增強熱固性酚醛樹脂復合材料，成型工藝如圖1所示。

分析與表征

采用德國克呂士公司KRÜSS K100型表面張力儀測定不同溫度下酚醛樹脂的表面張力，采用德國克呂士公司KRÜSSDSA100型光學接觸角測量儀測量酚醛樹脂和碳纖維的靜態接觸角，分別在30℃ 、40℃ 、50℃ 和 60℃下測定酚醛樹脂的表面張力和與碳纖維的接觸角。

結果與討論

TSPR浸漬溫度選擇

在30℃~60℃范圍內測定酚醛樹脂的表面張力和與碳纖維的接觸角 ,測試結果如表1所示。在30~60℃溫度范圍內，酚醛樹脂溶液與碳纖維單絲的潤濕角小于90°，說明兩者之間具有較好的潤濕性，可以不采用其他改良劑或者對纖維表面處理。隨著溫度的升高，酚醛樹脂溶液的表面張力減小，樹脂與纖維的接觸角變小。這是由于隨著溫度的增加，液體分子更容易在纖維表面鋪展，兩者之間的潤濕性增加。隨著浸漬溫度的升高，樹脂溶液會隨著溶劑揮發而黏度增大，不利于浸漬過程。因此綜合考慮溫度對潤濕性和黏度的影響，選擇40℃為浸漬溫度。

圖4為40℃酚醛樹脂浸漬后碳纖維的SEM照片。此溫度下浸漬后樹脂會產生流動，黏流態的酚醛樹脂均勻地包裹在纖維表面，纖維表面平整光滑,未出現翹曲和斷裂的情況。在該溫度下酚醛樹脂的流動性較好，將促進樹脂浸漬、包裹纖維，填充內部孔隙缺陷以及調整纖維-樹脂的分布。從圖3(b)可以看出樹脂將纖維絲束有效地黏結在一起，形成一個整體，沒有明顯的孔隙和樹脂與纖維的不均勻分布現象。SEM結果表明浸漬后復合材料纖維和樹脂結合良好.

總結：

針對連續碳纖維增強熱固性酚醛樹脂復合材料3D打印成型工藝的技術難題，本文提出了浸漬-原位預固化-后固化的3D打印成型方案，實現了連續碳纖維增強熱固性酚醛樹脂復合材料的3D打印成型，并研究浸漬溫度對酚醛樹脂接觸角與表面張力的影響規律。結果表明：當浸漬溫度為40℃，纖維-樹脂界面結合效果最佳，原料具備成型條件。