3D打印突破碳纖維增強PEEK復(fù)合材料粉末床熔融成形機理

聚醚醚酮（簡稱PEEK）是一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的高溫?zé)崴苄运芰?，具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（145℃）和熔點（339℃），采用纖維增強的PEEK復(fù)合材料具有更高的強度、模量及熱變形溫度，可代替鋁及鋁合金等金屬材料用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）作為3D打印技術(shù)中的一種，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有獨特的優(yōu)勢，這就使得PEEK及其復(fù)合材料的3D打印具有較大的吸引力。

然而，目前PEEK及其復(fù)合材料的SLS制件強度均低于其注塑件，從而大大限制了PEEK及其復(fù)合材料的3D打印制件的應(yīng)用范圍；同時，較高的加工溫度（＞300℃）對設(shè)備提出了更大的挑戰(zhàn)，目前可用于PEEK材料SLS成形的設(shè)備較少，商業(yè)化的設(shè)備僅有EOSP800、EOSP810等，但是其價格昂貴，系統(tǒng)封閉，這就為PEEK的SLS工藝研究及復(fù)合材料的配方研究產(chǎn)生了很大的限制。

圖1. PEEK和CF / PEEK復(fù)合材料的零剪切粘度與溫度的關(guān)系

該文章采用SLS制備高強度碳纖維（CF）增強PEEK復(fù)合材料，基于高溫流變行為對CF / PEEK復(fù)合材料的燒結(jié)機理進行了深入研究。通過將模擬溫度分布與粘度-溫度關(guān)系相結(jié)合來定義新的有效熔化區(qū)域，并用于預(yù)測工藝規(guī)劃。

圖2. 由PEEK和CF / PEEK（a-e）計算的有效熔化區(qū)域和PEEK（f）的熱重曲線

根據(jù)計算結(jié)果，對CF/PEEK開展了SLS工藝實驗，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為18.5W、掃描速度3000mm/s、掃描間距0.12mm，分層厚度為0.1mm時，10%碳纖維含量的復(fù)合材料的拉伸強度達到109±1 MPa、拉伸模量為7365±468 MPa；5%碳纖維含量的復(fù)合材料的彎曲強度達到183±4 MPa，均遠高于PEEK的注塑件。從而證明了基于零切粘度的有效熔融區(qū)域的計算可作為SLS熱模型的補充，用于高熔體黏度的聚合物及其復(fù)合材料的SLS工藝預(yù)測，同時，高強度高模量CF/PEEK的SLS制件也為航空航天領(lǐng)域制件的拓撲優(yōu)化、快速制造等提供了可能。

圖3. SLS燒結(jié)過程及標準測試樣件

參考文獻
Mengxue Yan, Xiaoyong Tian*, Gang Peng，Dichen Li et.al, High Temperature Rheological Behavior and Sintering Kinetics of CF/PEEK Composites during Selective Laser Sintering, Composites Science and Technology 165C (2018) pp. 140-147

來源：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室