3D打印突破碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料粉末床熔融成形機(jī)理

聚醚醚酮（簡(jiǎn)稱PEEK）是一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的高溫?zé)崴苄运芰�，具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（145℃）和熔點(diǎn)（339℃），采用纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度、模量及熱變形溫度，可代替鋁及鋁合金等金屬材料用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）作為3D打印技術(shù)中的一種，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這就使得PEEK及其復(fù)合材料的3D打印具有較大的吸引力。

然而，目前PEEK及其復(fù)合材料的SLS制件強(qiáng)度均低于其注塑件，從而大大限制了PEEK及其復(fù)合材料的3D打印制件的應(yīng)用范圍；同時(shí)，較高的加工溫度（＞300℃）對(duì)設(shè)備提出了更大的挑戰(zhàn)，目前可用于PEEK材料SLS成形的設(shè)備較少，商業(yè)化的設(shè)備僅有EOSP800、EOSP810等，但是其價(jià)格昂貴，系統(tǒng)封閉，這就為PEEK的SLS工藝研究及復(fù)合材料的配方研究產(chǎn)生了很大的限制。

圖1. PEEK和CF / PEEK復(fù)合材料的零剪切粘度與溫度的關(guān)系

該文章采用SLS制備高強(qiáng)度碳纖維（CF）增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料，基于高溫流變行為對(duì)CF / PEEK復(fù)合材料的燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過(guò)將模擬溫度分布與粘度-溫度關(guān)系相結(jié)合來(lái)定義新的有效熔化區(qū)域，并用于預(yù)測(cè)工藝規(guī)劃。

圖2. 由PEEK和CF / PEEK（a-e）計(jì)算的有效熔化區(qū)域和PEEK（f）的熱重曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)CF/PEEK開(kāi)展了SLS工藝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為18.5W、掃描速度3000mm/s、掃描間距0.12mm，分層厚度為0.1mm時(shí)，10%碳纖維含量的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到109±1 MPa、拉伸模量為7365±468 MPa；5%碳纖維含量的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到183±4 MPa，均遠(yuǎn)高于PEEK的注塑件。從而證明了基于零切粘度的有效熔融區(qū)域的計(jì)算可作為SLS熱模型的補(bǔ)充，用于高熔體黏度的聚合物及其復(fù)合材料的SLS工藝預(yù)測(cè)，同時(shí)，高強(qiáng)度高模量CF/PEEK的SLS制件也為航空航天領(lǐng)域制件的拓?fù)鋬?yōu)化、快速制造等提供了可能。

圖3. SLS燒結(jié)過(guò)程及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件

參考文獻(xiàn)
Mengxue Yan, Xiaoyong Tian*, Gang Peng，Dichen Li et.al, High Temperature Rheological Behavior and Sintering Kinetics of CF/PEEK Composites during Selective Laser Sintering, Composites Science and Technology 165C (2018) pp. 140-147

來(lái)源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室