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纤维含量对螺杆挤出式在线混合3D打印碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能的影响

纤维含量对螺杆挤出式在线混合3D打印碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能的影响

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
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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。

参考文献:

  1. S. Lu, B. Zhang, J. Niu, C. Yang, C. Sun, L. Wang, D. Li, Effect of fiber content on mechanical properties of carbon fiber-reinforced polyether-ether-ketone composites prepared using screw extrusion-based online mixing 3D printing, Addit. Manuf. 80 (2024) 103976, https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103976.