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：2024-10-19
輕質(zhì)高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料(PEEK-CF)非常適合大量強(qiáng)度要求高和重量敏感的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的基于長(zhǎng)絲的3D打印方法在吞吐量和增強(qiáng)量方面都受到限制，在使用要求和可實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度之間留下了很大的差距。為彌補(bǔ)這一差距，浙江師范大學(xué)李熹平教授等人通過(guò)自制的螺桿擠出式3D打印設(shè)備制備了不同纖維含量（5 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%）的PEEK-CF復(fù)合材料制件，全面評(píng)估了制件的力學(xué)性能，并探究了熱處理和熱等靜壓對(duì)制件力學(xué)性能的影響。
圖1為PEEK-CF 復(fù)合材料定制設(shè)計(jì)的螺桿擠出3D打印機(jī)，該打印機(jī)可以利用復(fù)合顆粒材料直接成形，成功實(shí)現(xiàn)了高達(dá)30% 纖維含量的復(fù)合顆粒材料直接成形，進(jìn)一步提升了PEEK-CF復(fù)合材料中的纖維含量。
圖1 螺桿擠出式3D打印機(jī)：（a）設(shè)計(jì)示意圖；（b）3D打印機(jī)實(shí)物圖；（c）擠出螺桿；（d）耐熱折疊擋板；（e）安裝在腔室后部的加熱器；（f）熱床上的打印樣品和聚酰亞胺貼紙
圖2顯示了3D打印的純PEEK和PEEK-CF復(fù)合材料制件的力學(xué)性能。相較于純PEEK，CF含量的增加提升了制件的強(qiáng)度和模量，但降低了沖擊強(qiáng)度。最值得注意的是，PEEK-30CF的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到190.5 MPa和23.0 GPa，其中拉伸強(qiáng)度是純PEEK（92.8 MPa）的兩倍多。類(lèi)似的，在PEEK-30CF制件中達(dá)到了最大的彎曲強(qiáng)度(271.7 MPa)和最大的彎曲模量(23.3 GPa)。此外，在高溫環(huán)境下，隨著溫度的增加，PEEK-20CF的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。盡管如此，3D 打印的 PEEK-CF 復(fù)合材料在高溫下仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度。例如，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度在150 ℃時(shí)超過(guò)105 MPa。這是一個(gè)相當(dāng)高的強(qiáng)度值，與注塑純 PEEK（室溫）和其他 FFF 打印的 PEEK-CF 復(fù)合材料的強(qiáng)度相當(dāng)。通過(guò)對(duì)PEEK-30CF打印樣件進(jìn)一步處理發(fā)現(xiàn)，熱處理對(duì)于制件的性能略有改善，相比之下，熱壓后制件的拉伸強(qiáng)度和模量分別達(dá)到218.5 MPa和29.4 GPa，進(jìn)一步接近注塑制件的強(qiáng)度水平。
圖2 不同纖維含量下3D打印PEEK-CF制件力學(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）PEEK-20CF在高溫下(高達(dá)250 ℃)的拉伸強(qiáng)度
該研究利用自制的螺桿擠出式3D打印設(shè)備成功打印了高達(dá)30%纖維含量的PEEK-CF復(fù)合顆粒，獲得了優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度(190.5 MPa)。此外，打印的復(fù)合材料在高溫下還表現(xiàn)出出色的機(jī)械強(qiáng)度，在250 ℃時(shí)達(dá)到64.1 MPa。通過(guò)退火和熱等靜壓，可以進(jìn)一步增加制件的結(jié)晶度和減小制件孔隙，從而提升制件的力學(xué)性能。這項(xiàng)研究展示了使用螺桿擠出式3D打印制備高性能PEEK-CF的巨大潛力，可能會(huì)激發(fā)人們對(duì) PEEK-CF 復(fù)合材料原料設(shè)計(jì)的新見(jiàn)解，并可能引發(fā)高性能熱塑性復(fù)合材料增材制造的范式轉(zhuǎn)變。