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(tǒng)的熱壓技術而制成的高性能制件在20世紀已經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)，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(nèi)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(nèi)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(xiàn)，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(tǒng)工程國家重點實驗室