3D打印突破碳纤维增强PEEK复合材料粉末床熔融成形机理

聚醚醚酮（简称PEEK）是一种具有优异力学性能的高温热塑性塑料，具有较高的玻璃化转变温度（145℃）和熔点（339℃），采用纤维增强的PEEK复合材料具有更高的强度、模量及热变形温度，可代替铝及铝合金等金属材料用于航空航天、汽车制造等领域。激光选区烧结（SLS）作为3D打印技术中的一种，在制备复杂结构制件及结构优化方面具有独特的优势，这就使得PEEK及其复合材料的3D打印具有较大的吸引力。

然而，目前PEEK及其复合材料的SLS制件强度均低于其注塑件，从而大大限制了PEEK及其复合材料的3D打印制件的应用范围；同时，较高的加工温度（＞300℃）对设备提出了更大的挑战，目前可用于PEEK材料SLS成形的设备较少，商业化的设备仅有EOSP800、EOSP810等，但是其价格昂贵，系统封闭，这就为PEEK的SLS工艺研究及复合材料的配方研究产生了很大的限制。

图1. PEEK和CF / PEEK复合材料的零剪切粘度与温度的关系

该文章采用SLS制备高强度碳纤维（CF）增强PEEK复合材料，基于高温流变行为对CF / PEEK复合材料的烧结机理进行了深入研究。通过将模拟温度分布与粘度-温度关系相结合来定义新的有效熔化区域，并用于预测工艺规划。

图2. 由PEEK和CF / PEEK（a-e）计算的有效熔化区域和PEEK（f）的热重曲线

根据计算结果，对CF/PEEK开展了SLS工艺实验，结果表明，当激光功率为18.5W、扫描速度3000mm/s、扫描间距0.12mm，分层厚度为0.1mm时，10%碳纤维含量的复合材料的拉伸强度达到109±1 MPa、拉伸模量为7365±468 MPa；5%碳纤维含量的复合材料的弯曲强度达到183±4 MPa，均远高于PEEK的注塑件。从而证明了基于零切粘度的有效熔融区域的计算可作为SLS热模型的补充，用于高熔体黏度的聚合物及其复合材料的SLS工艺预测，同时，高强度高模量CF/PEEK的SLS制件也为航空航天领域制件的拓扑优化、快速制造等提供了可能。

图3. SLS烧结过程及标准测试样件

参考文献
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

来源：机械制造系统工程国家重点实验室