FDM 3D打印碳纖維/PEEK復(fù)合材料研究，中科院空間應(yīng)用中心獲重大科研成果

南極熊導(dǎo)讀：基于FDM技術(shù)3D打印碳纖維/PEEK復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其彎曲性能和斷裂行為所表現(xiàn)出的微觀結(jié)構(gòu)與機(jī)理會(huì)是怎么樣的呢？

近期，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究團(tuán)隊(duì)使用遠(yuǎn)鑄智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印機(jī)FUNMAT HT對(duì)自主研發(fā)的碳纖維PEEK復(fù)合材料進(jìn)行3D打印工藝的系統(tǒng)研究，取得重要科研進(jìn)展。相關(guān)成果以論文《Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal Building Orientation by FDM: Microstructure and Mechanism》為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Polymers》(https://doi.org/10.3390/polym11040656)中，博士研究生李秋實(shí)為第一作者，趙偉助理研究員、王功研究員為該研究論文通訊作者。

聚醚醚酮，簡(jiǎn)稱(chēng)PEEK，是一種熱塑性聚合物，具有高強(qiáng)度，耐高溫，耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，對(duì)3D打印行業(yè)有著舉足輕重的影響。目前，聚醚醚酮已被用于制造3D打印衛(wèi)星、3D打印汽車(chē)零部件、人體植入物，未來(lái)還將可能涉足其他領(lǐng)域。在PEEK 3D打印技術(shù)中，與大多數(shù)非金屬材料類(lèi)似，F(xiàn)DM工藝制造打印件的Z向?qū)娱g結(jié)合力遠(yuǎn)低于X、Y方向，被認(rèn)為是限制其應(yīng)用的重要因素之一。

趙偉、李秋實(shí)等學(xué)者通過(guò)在絲材中摻雜碳纖維，并運(yùn)用遠(yuǎn)鑄智能FUNMAT HT機(jī)器研究了垂直打印方向?qū)μ祭w維聚醚醚酮3D打印件彎曲性能的影響，這種垂直方向打印的彎曲樣條具有優(yōu)異的力學(xué)性能，彎曲強(qiáng)度達(dá)到146 MPa，重要的是，還與傳統(tǒng)注塑件具有接近一致的彎曲強(qiáng)度。

圖1. 碳纖維PEEK 3D打印材料制備與打印過(guò)程

圖2. 碳纖維摻雜與垂直打印方式打印件彎曲性能對(duì)比

作者發(fā)現(xiàn)碳纖維的引入，不僅提高了打印件的剛性強(qiáng)度，而且結(jié)晶度更均勻，同時(shí)分析了碳纖維引入和打印方向?qū)τ诖蛴〖⒂^結(jié)構(gòu)組成、打印件受力斷裂模式，這些都有利于大型部件的制造。同時(shí)，可以觀察到運(yùn)用遠(yuǎn)鑄智能（INTAMSYS）3D打印機(jī)通過(guò)改變打印方向和打印參數(shù)，除打印件具有優(yōu)異的力學(xué)性能，還具有較為光滑的表面。

△CF / PEEK零件的脆性彎曲斷裂橫截面的SEM電鏡照片

總體上，該研究提出了一種普適性的制備滿足多種受力情況PEEK打印件的方法，該方法為制備大型打印件提供了新思路，通過(guò)調(diào)節(jié)其他摻雜組分、打印方向和微觀結(jié)構(gòu)，運(yùn)用遠(yuǎn)鑄智能（INTAMSYS）3D打印機(jī)和INTAMSUITE軟件，使得PEEK碳纖維材料有更強(qiáng)的空間適應(yīng)性和更多的功能性，所制備的PEEK打印件有望在耐高溫工業(yè)部件、汽車(chē)航天等領(lǐng)域得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

南極熊注意到，現(xiàn)在越來(lái)越多的廠商開(kāi)始涉足諸如PEEK類(lèi)似的復(fù)合材料的3D打印技術(shù)，其表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異性能，讓眾多下游應(yīng)用方躍躍欲試。這個(gè)方向可能讓相對(duì)成熟的FDM 3D打印技術(shù)煥發(fā)出新的活力和生命。