短纖維增強的PEEK復合材料制備及其通過FDM打印的綜合性能評估

供稿人：馬聚隆 李滌塵
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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)纖維增強的高性能熱塑性復合材料，提高材料綜合性能。

山東大學的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的PEEK復合材料細絲，并探索纖維類型和纖維含量對復合長絲FDM打印零件力學性能的影響。探究了FDM打印短纖維增強PEEK復合材料在工程應用中的潛力。為復雜形狀，高強度和輕量級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。

短纖維增強的PEEK復合長絲制備如圖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)定的復合長絲。

圖1 復合長絲的制備工藝

如圖2（a）和（b）所示，與純PEEK相比，纖維增強的PEEK復合材料的拉伸強度和彎曲強度都得到了改善，其中拉伸性能增強最為明顯的是5wt%的CF/PEEK材料，最大拉伸強度達到94MPa；彎曲強度增強最為顯著的是5wt%的GF/PEEK，最大抗彎強度達到165MPa；由于高纖維含量復合長絲中孔隙率的增加，隨著短切纖維質量分數(shù)的提升，機械性能顯著降低。如圖2（b）和（c）所示，由于GF和PEEK之間界面結合更加牢固，難以將纖維與PEEK分離，在相同質量分數(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。同時可以看出，纖維的類型和含量對聚合物的斷裂伸長率沒有明顯的影響。

圖2 FDM打印的（a）拉伸強度，（b）彎曲強度，（c）沖擊強度，（d）斷裂伸長率

參考文獻：
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.