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：2024-10-19
轻质高强碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(PEEK-CF)非常适合大量强度要求高和重量敏感的应用。然而，传统的基于长丝的3D打印方法在吞吐量和增强量方面都受到限制，在使用要求和可实现的强度之间留下了很大的差距。为弥补这一差距，浙江师范大学李熹平教授等人通过自制的螺杆挤出式3D打印设备制备了不同纤维含量（5 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%）的PEEK-CF复合材料制件，全面评估了制件的力学性能，并探究了热处理和热等静压对制件力学性能的影响。
图1为PEEK-CF 复合材料定制设计的螺杆挤出3D打印机，该打印机可以利用复合颗粒材料直接成形，成功实现了高达30% 纤维含量的复合颗粒材料直接成形，进一步提升了PEEK-CF复合材料中的纤维含量。
图1 螺杆挤出式3D打印机：（a）设计示意图；（b）3D打印机实物图；（c）挤出螺杆；（d）耐热折叠挡板；（e）安装在腔室后部的加热器；（f）热床上的打印样品和聚酰亚胺贴纸
图2显示了3D打印的纯PEEK和PEEK-CF复合材料制件的力学性能。相较于纯PEEK，CF含量的增加提升了制件的强度和模量，但降低了冲击强度。最值得注意的是，PEEK-30CF的拉伸强度和弹性模量分别达到190.5 MPa和23.0 GPa，其中拉伸强度是纯PEEK（92.8 MPa）的两倍多。类似的，在PEEK-30CF制件中达到了最大的弯曲强度(271.7 MPa)和最大的弯曲模量(23.3 GPa)。此外，在高温环境下，随着温度的增加，PEEK-20CF的拉伸强度逐渐降低。尽管如此，3D 打印的 PEEK-CF 复合材料在高温下仍然表现出优异的强度。例如，复合材料的拉伸强度在150 ℃时超过105 MPa。这是一个相当高的强度值，与注塑纯 PEEK（室温）和其他 FFF 打印的 PEEK-CF 复合材料的强度相当。通过对PEEK-30CF打印样件进一步处理发现，热处理对于制件的性能略有改善，相比之下，热压后制件的拉伸强度和模量分别达到218.5 MPa和29.4 GPa，进一步接近注塑制件的强度水平。
图2 不同纤维含量下3D打印PEEK-CF制件力学性能结果：（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）PEEK-20CF在高温下(高达250 ℃)的拉伸强度
该研究利用自制的螺杆挤出式3D打印设备成功打印了高达30%纤维含量的PEEK-CF复合颗粒，获得了优异的拉伸强度(190.5 MPa)。此外，打印的复合材料在高温下还表现出出色的机械强度，在250 ℃时达到64.1 MPa。通过退火和热等静压，可以进一步增加制件的结晶度和减小制件孔隙，从而提升制件的力学性能。这项研究展示了使用螺杆挤出式3D打印制备高性能PEEK-CF的巨大潜力，可能会激发人们对 PEEK-CF 复合材料原料设计的新见解，并可能引发高性能热塑性复合材料增材制造的范式转变。