西安交通大學(xué)：結(jié)晶度控制對(duì)3D打印短切碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮

供稿人：馬聚隆 李滌塵 供稿單位：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

碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF/PEEK）由于其機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕和抗蠕變性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域，然而該材料的基體PEEK具有結(jié)晶、大分子鏈和高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，將該種材料應(yīng)用于3D打印的過(guò)程中會(huì)發(fā)生顯著的收縮變形和翹曲開(kāi)裂。

西安交通大學(xué)的Dong Yang等使用可控的環(huán)境溫度以及熱處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶度的控制，并研究了不同結(jié)晶度條件下對(duì)變形和力學(xué)性能的影響效果，并根據(jù)結(jié)果確定了力學(xué)性能的可控范圍。

力學(xué)性能的測(cè)試采用多功能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以1mm/min的測(cè)試速度進(jìn)行機(jī)械測(cè)試，拉伸和彎曲測(cè)試樣件分別按照GB/T 140.1-2006 和 GB/T1449-2005的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備。材料收縮變形的測(cè)試如圖1所示，測(cè)試樣件尺寸為100mm×10mm×4mm，通過(guò)計(jì)算翹起高度與長(zhǎng)度的比值，得到翹曲度。

圖1 層間粘合強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，隨著環(huán)境溫度從20℃升高到200℃，結(jié)晶度從21.3%逐步增加到32.5%，翹曲變形則是先增加后減小，翹曲變形的變化主要由不同溫度狀態(tài)下結(jié)晶的均勻性決定的。彎曲強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度的提升，出現(xiàn)明顯提高，抗彎強(qiáng)度從86.4 MPa逐漸增加到201 MPa。

通過(guò)熱處理將樣件進(jìn)行重結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶度的控制，進(jìn)一步探究熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律。如圖2(a)所示，隨著熱處理溫度的提高，結(jié)晶度可以實(shí)現(xiàn)21.3%-35.2%的控制，隨著結(jié)晶度的提高，力學(xué)性能發(fā)生了顯著的改變，如圖2(b)所示，斷裂伸長(zhǎng)率從結(jié)晶度21.3%時(shí)的124%，驟降到結(jié)晶度35.2%時(shí)的2.56%，如圖2(c)-(f)所示，隨著結(jié)晶度從21.3%增加到35.2%，CF/PEEK 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度從50.8MPa逐漸增加到135.0MPa，拉伸彈性模量從3.5GPa增加到9.2GPa，彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量分別實(shí)現(xiàn)了86.4MPa-234.2MPa和3.7GPa-9.5GPa范圍的變化。

圖2 熱處理對(duì)結(jié)晶度和力學(xué)性能的影響規(guī)律

參考文獻(xiàn)：
Yang, D., Y. Cao, Z. Zhang, Y. Yin and D. Li. (2021). "Effects of crystallinity control on mechanical properties of 3D-printed short-carbon-fiber-reinforced polyether ether ketone composites." Polymer Testing 97: 107149.