連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料3D打印探索高性能塑料制造前景

供稿人:羅盟 田小永

PEEK（聚醚醚酮）作為一種高熔點(diǎn)半晶態(tài)工程塑料，因其良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，以及優(yōu)異的力學(xué)性能和生物兼容性而受到航空、航天、汽車工業(yè)以及醫(yī)療等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注和研究。

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK（CCF/PEEK）復(fù)合材料通過傳統(tǒng)的熱壓技術(shù)而制成的高性能制件在20世紀(jì)已經(jīng)被應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而受限于制造方式，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件依然無(wú)法通過該方式獲得，這也成為約束CCF/PEEK復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)至關(guān)重要的難題。

西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近期則報(bào)導(dǎo)了關(guān)于CCF/PEEK復(fù)合材料增材制造的最新進(jìn)展。如圖1，通過在打印中引入激光實(shí)時(shí)輔熱處理工藝，并結(jié)合纖維預(yù)浸漬工藝，有效地提升了打印中的Z向性能而實(shí)現(xiàn)對(duì)于制件整體力學(xué)性能的充分改善。

圖1 CCF/PEEK復(fù)合材料打印及測(cè)試流程示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，在工藝改善之前，連續(xù)纖維的引入非常容易使制件內(nèi)部形成多尺度的弱結(jié)合界面，而通過引入激光和預(yù)浸漬工藝技術(shù)則能夠極大的改善內(nèi)部的各種弱結(jié)合，從而避免過早的失效和較差的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，不光是CCF/PEEK復(fù)合材料，對(duì)于純PEEK打印來(lái)說(shuō)，激光預(yù)熱對(duì)于制件的性能改善都大有裨益。激光通過在局部被材料快速吸收升溫，一方面避免了大面積體積収縮，同時(shí)又保證其較充分的結(jié)晶，從而極大改善制件的模量、各項(xiàng)力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性等。至此，在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域再度突破，通過研究CCF/PEEK復(fù)合材料3D打印的進(jìn)一步探索為我國(guó)高性能塑料增材制造的推進(jìn)和發(fā)展再次貢獻(xiàn)力量。

圖2 工藝改善對(duì)比圖

參考文獻(xiàn)：
Impregnation and Interlayer Bonding Behaviours of 3D-Printed Continuous Carbon-Fiber-Reinforced Poly-ether-ether-ketone Composites, Luo M, Tian X, Shang J, et al. Composites Part A, 2019, S1359-835X(19)30099-5.

供稿人:羅盟 田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室