供稿人：魯思偉、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-06-01
碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維含量密切相關(guān)。然而當(dāng)前在熔絲制造(FFF)中制備的纖維含量通常低于20%。為進(jìn)一步提高復(fù)合材料中的纖維含量，西安交通大學(xué)李滌塵教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于螺桿擠出的在線混合3D打印方法，利用自制的3D打印頭系統(tǒng)探究了纖維含量對(duì)CF/PEEK復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。圖1為研制的3D打印頭的原理圖，該打印頭可以利用粉末材料直接成形，通過(guò)控制左右兩側(cè)進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速比，可以直接制備出特定纖維含量的復(fù)合材料。
圖1 在線混合3D打印頭：（a）3D打印頭原理圖；（b）3D打印頭設(shè)計(jì)圖；（c）3D打印頭樣機(jī)；（d）銷釘螺桿的結(jié)構(gòu)和幾何符號(hào)
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用基于螺桿擠出的在線混合打印方法成功制備了高達(dá)50%纖維含量的CF/PEEK復(fù)合材料，相較傳統(tǒng)的FFF方法有了較大的突破。在線混合3D打印頭利用粉末材料直接成形，免去了制絲的過(guò)程，提高了制備效率，有利于降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。
如圖2所示，纖維含量與制件的力學(xué)性能的關(guān)系是非線性的，在纖維含量為40%時(shí)，具有最大的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，分別達(dá)到135.9 MPa和213.5 MPa，相較于純PEEK分別提升了94%和80%。在0~40%纖維含量范圍內(nèi)，制件的力學(xué)性能隨著纖維含量的增加而增加。結(jié)合微觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，纖維含量增加導(dǎo)致層間間隙增大和孔隙增加限制了力學(xué)性能的改善。通過(guò)結(jié)晶可以進(jìn)一步增大制件的力學(xué)性能，使制件的最大彎曲強(qiáng)度達(dá)到了251.2 MPa，相較于未退火的純PEEK制件提升了111%。
圖2 不同纖維含量下的力學(xué)性能結(jié)果：（a）拉伸強(qiáng)度和彈性模量；（b）彎曲強(qiáng)度和彎曲模量；（c）沖擊強(qiáng)度；（d）斷裂伸長(zhǎng)率；（e）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（f）拉伸斷裂試樣
通過(guò)增加纖維含量和提高制件的結(jié)晶度，有利于進(jìn)一步改善制件的力學(xué)性能，有望擴(kuò)大復(fù)合材料的使用范圍。此外，通過(guò)研制的3D打印頭可以實(shí)現(xiàn)粉末材料的直接成形，相較于FFF工藝減少了加工步驟，降低了成本和提高了制造效率。此外，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)左右兩側(cè)進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速比，有望制備出不同區(qū)域具有不同纖維含量的非均質(zhì)零件。