連續(xù)碳纖維增強聚醚醚酮復合材料3D打印探索高性能塑料制造前景

供稿人:羅盟 田小永

PEEK（聚醚醚酮）作為一種高熔點半晶態(tài)工程塑料，因其良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，以及優(yōu)異的力學性能和生物兼容性而受到航空、航天、汽車工業(yè)以及醫(yī)療等各個應用領域的關注和研究。

連續(xù)碳纖維增強PEEK（CCF/PEEK）復合材料通過傳統的熱壓技術而制成的高性能制件在20世紀已經被應用于航空航天等領域。然而受限于制造方式，具有復雜結構的零部件依然無法通過該方式獲得，這也成為約束CCF/PEEK復合材料應用的一個至關重要的難題。

西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室近期則報導了關于CCF/PEEK復合材料增材制造的最新進展。如圖1，通過在打印中引入激光實時輔熱處理工藝，并結合纖維預浸漬工藝，有效地提升了打印中的Z向性能而實現對于制件整體力學性能的充分改善。

圖1 CCF/PEEK復合材料打印及測試流程示意圖

研究發(fā)現，如圖2所示，在工藝改善之前，連續(xù)纖維的引入非常容易使制件內部形成多尺度的弱結合界面，而通過引入激光和預浸漬工藝技術則能夠極大的改善內部的各種弱結合，從而避免過早的失效和較差的力學性能。研究發(fā)現，不光是CCF/PEEK復合材料，對于純PEEK打印來說，激光預熱對于制件的性能改善都大有裨益。激光通過在局部被材料快速吸收升溫，一方面避免了大面積體積収縮，同時又保證其較充分的結晶，從而極大改善制件的模量、各項力學性能以及熱穩(wěn)定性等。至此，在連續(xù)纖維增強復合材料領域再度突破，通過研究CCF/PEEK復合材料3D打印的進一步探索為我國高性能塑料增材制造的推進和發(fā)展再次貢獻力量。

圖2 工藝改善對比圖

參考文獻：
Impregnation and Interlayer Bonding Behaviours of 3D-Printed Continuous Carbon-Fiber-Reinforced Poly-ether-ether-ketone Composites, Luo M, Tian X, Shang J, et al. Composites Part A, 2019, S1359-835X(19)30099-5.

供稿人:羅盟 田小永 供稿單位：機械制造系統工程國家重點實驗室