供稿人：鲁思伟、李涤尘 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-06-01
碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料的力学性能与纤维含量密切相关。然而当前在熔丝制造(FFF)中制备的纤维含量通常低于20%。为进一步提高复合材料中的纤维含量，西安交通大学李涤尘教授团队开发了一种基于螺杆挤出的在线混合3D打印方法，利用自制的3D打印头系统探究了纤维含量对CF/PEEK复合材料力学性能的影响。图1为研制的3D打印头的原理图，该打印头可以利用粉末材料直接成形，通过控制左右两侧进料螺杆的转速比，可以直接制备出特定纤维含量的复合材料。
图1 在线混合3D打印头：（a）3D打印头原理图；（b）3D打印头设计图；（c）3D打印头样机；（d）销钉螺杆的结构和几何符号
结果发现，利用基于螺杆挤出的在线混合打印方法成功制备了高达50%纤维含量的CF/PEEK复合材料，相较传统的FFF方法有了较大的突破。在线混合3D打印头利用粉末材料直接成形，免去了制丝的过程，提高了制备效率，有利于降低研发和生产成本。
如图2所示，纤维含量与制件的力学性能的关系是非线性的，在纤维含量为40%时，具有最大的拉伸强度和弯曲强度，分别达到135.9 MPa和213.5 MPa，相较于纯PEEK分别提升了94%和80%。在0~40%纤维含量范围内，制件的力学性能随着纤维含量的增加而增加。结合微观形貌可以发现，纤维含量增加导致层间间隙增大和孔隙增加限制了力学性能的改善。通过结晶可以进一步增大制件的力学性能，使制件的最大弯曲强度达到了251.2 MPa，相较于未退火的纯PEEK制件提升了111%。
图2 不同纤维含量下的力学性能结果：（a）拉伸强度和弹性模量；（b）弯曲强度和弯曲模量；（c）冲击强度；（d）断裂伸长率；（e）应力-应变曲线；（f）拉伸断裂试样
通过增加纤维含量和提高制件的结晶度，有利于进一步改善制件的力学性能，有望扩大复合材料的使用范围。此外，通过研制的3D打印头可以实现粉末材料的直接成形，相较于FFF工艺减少了加工步骤，降低了成本和提高了制造效率。此外，通过实时调节左右两侧进料螺杆的转速比，有望制备出不同区域具有不同纤维含量的非均质零件。