连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料3D打印探索高性能塑料制造前景

供稿人:罗盟 田小永

PEEK（聚醚醚酮）作为一种高熔点半晶态工程塑料，因其良好的热稳定性和耐腐蚀性能，以及优异的力学性能和生物兼容性而受到航空、航天、汽车工业以及医疗等各个应用领域的关注和研究。

连续碳纤维增强PEEK（CCF/PEEK）复合材料通过传统的热压技术而制成的高性能制件在20世纪已经被应用于航空航天等领域。然而受限于制造方式，具有复杂结构的零部件依然无法通过该方式获得，这也成为约束CCF/PEEK复合材料应用的一个至关重要的难题。

西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室近期则报导了关于CCF/PEEK复合材料增材制造的最新进展。如图1，通过在打印中引入激光实时辅热处理工艺，并结合纤维预浸渍工艺，有效地提升了打印中的Z向性能而实现对于制件整体力学性能的充分改善。

图1 CCF/PEEK复合材料打印及测试流程示意图

研究发现，如图2所示，在工艺改善之前，连续纤维的引入非常容易使制件内部形成多尺度的弱结合界面，而通过引入激光和预浸渍工艺技术则能够极大的改善内部的各种弱结合，从而避免过早的失效和较差的力学性能。研究发现，不光是CCF/PEEK复合材料，对于纯PEEK打印来说，激光预热对于制件的性能改善都大有裨益。激光通过在局部被材料快速吸收升温，一方面避免了大面积体积収缩，同时又保证其较充分的结晶，从而极大改善制件的模量、各项力学性能以及热稳定性等。至此，在连续纤维增强复合材料领域再度突破，通过研究CCF/PEEK复合材料3D打印的进一步探索为我国高性能塑料增材制造的推进和发展再次贡献力量。

图2 工艺改善对比图

参考文献：
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:罗盟 田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室