导读
:
3d
打印碳纤维增强聚合物复合材料的力学性能在工程应用中起着举足轻重的作用。然而，通过材料挤压制备高性能复合材料仍然是一个巨大的挑战。本研究利用国产螺杆挤出
3D
打印机，制备了
4
种不同纤维长度的纤维增强聚醚醚酮
(CF/PEEK)
复合材料，并对其应用潜力进行了评价。系统地探讨了纤维长度和退火对样品力学性能的影响。结果表明，增加纤维长度和退火处理可以提高构件的拉伸强度和弯曲强度，但会降低构件的冲击强度和延展性。在平均纤维保留长度为
209
μ
m
的情况下，退火零件的拉伸强度和弯曲强度分别达到
169.8 MPa
和
223.3 MPa
，比未退火的纯
PEEK
提高了
143%
和
88%
。更长的纤维保留长度、更高的结晶度和更少的内部缺陷有助于改善样品的机械性能。本研究为
3d
打印高性能复合材料的制备和应用提供了更广阔的空间。
碳纤维增强聚合物复合材料
(CFRP)
由于其卓越的比强度、模量、耐腐蚀性和耐久性，在航空航天和汽车工业中得到了广泛的应用。
CFRP
常用的传统制造方法有注射成型、压缩成型和手工铺层法。然而，这些制造方法依赖于模具，这是耗时的，昂贵的，并受限于零件的结构形状。相比之下，增材制造
(AM)
，也被称为
3D
打印，已经迅速发展成为一种潜在的制造技术。增材制造采用计算机控制下的逐层制造工艺，可以在不受传统模具限制的情况下生产部件，具有降低成本和提高设计灵活性等优势。这些优势使得增材制造特别适合制造复杂的部件和功能部件，其应用扩展到生物医学、航空航天、汽车和电子领域。在增材制造工艺领域，材料挤压，特别是熔融沉积建模
(FDM)
或熔融长丝制造
(FFF)
，由于其设备简单，成本低，易于操作和维护，已成为制备热塑性聚合物及其复合材料的主要方法。
利用
3D
打印技术制备短纤维、连续纤维和短
/
连续纤维混杂增强聚合物复合材料已被广泛报道。与连续
CF
相比，不连续纤维虽然在性能提升上并不出众，但其材料设计自由度高，材料成本相对较低，受到了研究者的广泛关注。复合材料的强度受纤维含量和纤维长度的显著影响，因此有大量研究探讨这些因素的影响。机械性能的适度增强可归因于基体材料特性和印刷过程中引入的内部缺陷。考虑到功能性或承重部件的强度要求，迫切需要进一步提高
3d
打印复合材料的机械性能。
采用高性能聚合物基体，如
PEEK
，有望扩大
3d
打印复合材料在不同行业的应用范围。然而，在
3D
打印过程中，由于其高熔融温度和高粘度，带来了挑战。此外，当纤维含量超过
15wt %
时，粘度超过了极限值，使制备变得不可能。增加纤维含量或长度有望进一步改善印刷部件的机械性能。然而，必须注意的是，这些因素会影响复合材料的粘度和打印部件的内部缺陷，从而影响可打印性和复合材料的机械性能。
在本研究中，西安交通大学
通过基于螺杆挤压的
3D
打印制造了
20 wt%
的不同纤维长度的
CF/PEEK
复合材料，综合考察了纤维长度对打印样品的热特性、流动性、结晶行为、力学性能和表面形貌的影响，李涤尘和孙畅宁为本文通讯作者
。此外，研究了退火对样品结晶行为和力学性能的影响。通过微观组织和孔隙率分析，对复合材料的断裂破坏机制有了更深入的了解。相关研究成果以
“
High-strength carbon
fiber-reinforced polyether-ether-ketone composites with longer fiber retention
length manufactured via screw extrusion-based 3D printing
”
发表在
Additive Manufacturing
上
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221486042400246X?via%3Dihub
图
1 (a) CF/PEEK
粉末复合材料的制备工艺
;(b)
基于螺杆挤压的
3D
打印制造工艺
;(c)
基于螺杆挤压的自制
3D
打印机样机
;(d)
试样。
图
2
不同纤维等级对应的纤维长度分布
:(a)
印刷前和
(b)
印刷后
;(c)
印刷前后纤维平均长度对应不同纤维等级
;(d)
不同纤维等级的平面纤维取向角分布。
图
3 (a)
加热扫描和
(b)
冷却扫描的
DSC
曲线，
(c) TGA
曲线，
(d)
不同平均纤维长度的纯
PEEK
和
CF/PEEK
复合材料的
MFR
。
图
4 (a)
退火前试样的
XRD
图和
(b) DSC
曲线
;(c)
退火试样的
DSC
曲线
;(d)
退火前后
3d
打印
CF/ PEEK
复合材料的结晶度。
图
5
退火前后不同平均纤维长度的
3d
打印
CF/PEEK
复合材料力学性能
:(a)
抗拉强度
;(b)
弹性模量
;(c)
抗弯强度
;(d)
弯曲模量
;(e)
冲击强度
;(f)
断裂伸长
;
退火前
(g)
和退火后
(h)
的拉伸应力
-
应变曲线。
图
7 (a)
表观密度
(
蓝色虚线和红色虚线分别代表
PEEK
和
20 wt% CF/PEEK
的理论密度
)
和
(b)
退火前后不同平均纤维长度的
3d
打印
CF/PEEK
复合材料的孔隙率。
图
8
所示。
LSCM
三维形貌
(
单位
:
μ
m): (a) PEEK
，
(b) 63
μ
m- cf /PEEK
，
(c) 119
μ
m- cf /PEEK
，
(d) 242
μ
m- cf /PEEK
，
(e) 342
μ
m- cf /PEEK;(f)
3D
打印样品表面粗糙度
(Sa)
。
图
9
所示。
(a) 3D
打印工艺制备的
CF/PEEK
样品拉伸性能比较
(
圆圈表示
FFF
工艺，矩形表示粉床熔融
(PBF)
工艺，菱形表示注塑
(IM)
工艺，五角星表示螺杆挤压
(SE)
工艺
);(b)
退火前后理论强度与实际强度对比。
在本研究中，
使用在线混合螺杆挤出系统，在定制
3D
打印机上成功制造了不同纤维长度的
CF/PEEK
复合材料。随后，系统地评估了这些复合材料的综合性能。
根据研究结果，可以得出以下结论
:
(1)
粉末复合材料在线混炼挤出工艺中，最大可加工纤维长度限制在
1mm
以内。不同长度的纤维表现出不同程度的断裂，但最大纤维损失保持在
50%
以下。这是由于在在线混合挤压过程中较少的材料加工步骤，从而减少了纤维断裂的机会。较长的纤维长度导致纤维取向增强，主要集中在
5-10◦
方向。
(2)
纤维的掺入导致复合材料的
Tg
、
Tc
和结晶度升高，而对样品的
