短纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料制備及其通過FDM打印的綜合性能評(píng)估

供稿人：馬聚隆 李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

熔融沉積建模（FDM）作為一種較為成熟的3D打印工藝，被廣泛應(yīng)用于基體聚合物的制造，但是基體聚合物的固有性能通常受到限制，亟需開發(fā)纖維增強(qiáng)的高性能熱塑性復(fù)合材料，提高材料綜合性能。

山東大學(xué)的Peng Wang等分別將短切的碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）與PEEK混合，通過擠出工藝，成功制造了短纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料細(xì)絲，并探索纖維類型和纖維含量對(duì)復(fù)合長(zhǎng)絲FDM打印零件力學(xué)性能的影響。探究了FDM打印短纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料在工程應(yīng)用中的潛力。為復(fù)雜形狀，高強(qiáng)度和輕量級(jí)的零件提供快速原型制作方法，以有效地滿足各種制造要求。

短纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合長(zhǎng)絲制備如圖1所示，在PEEK中分別添加了兩種短切纖維（碳纖維和玻璃纖維），為了改善纖維-基質(zhì)的界面鍵合能力，在共混前，碳纖維和玻璃纖維分別通過陽極氧化和硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行處理。PEEK和短切纖維共混后，經(jīng)過了雙螺桿擠出、造粒、單螺桿擠出等過程，制備了線徑穩(wěn)定的復(fù)合長(zhǎng)絲。

圖1 復(fù)合長(zhǎng)絲的制備工藝

如圖2（a）和（b）所示，與純PEEK相比，纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都得到了改善，其中拉伸性能增強(qiáng)最為明顯的是5wt%的CF/PEEK材料，最大拉伸強(qiáng)度達(dá)到94MPa；彎曲強(qiáng)度增強(qiáng)最為顯著的是5wt%的GF/PEEK，最大抗彎強(qiáng)度達(dá)到165MPa；由于高纖維含量復(fù)合長(zhǎng)絲中孔隙率的增加，隨著短切纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升，機(jī)械性能顯著降低。如圖2（b）和（c）所示，由于GF和PEEK之間界面結(jié)合更加牢固，難以將纖維與PEEK分離，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，GF / PEEK的性能要優(yōu)于CF / PEEK。如圖2（d）所示，與純PEEK相比，添加纖維導(dǎo)致延展性降低。這是由于短纖維阻礙了PEEK聚合物鏈的有序排列，從而使聚合物鏈容易斷裂。同時(shí)可以看出，纖維的類型和含量對(duì)聚合物的斷裂伸長(zhǎng)率沒有明顯的影響。

圖2 FDM打印的（a）拉伸強(qiáng)度，（b）彎曲強(qiáng)度，（c）沖擊強(qiáng)度，（d）斷裂伸長(zhǎng)率

參考文獻(xiàn)：
Wang, P., B. Zou, S. Ding, C. Huang, Z. Shi, Y. Ma and P. Yao (2020). " Preparation of short CF/GF reinforced PEEK composite filaments and their comprehensive properties evaluation for FDM-3D printing." Composites Part B: Engineering, 2020. 198: p. 108175.