增材制造CNT/PEEK与GNP/PEEK复合材料

供稿人:陈义，鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

PEEK复合材料可有改善PEEK的力学性能、生物相容性、耐磨性等，增材制造可实现PEEK复合材料的复杂零部件的制备。为进一步改善PEEK材料的成型稳定性与摩擦磨损性能，近期M.F. Arif团队制备了碳纳米管(CNT)和石墨烯纳米片(CNP)与PEEK复合材料样件。该团队通过材料共混的方式制备 CNT/PEEK复合材料以及CNP/PEEK复合材料，并使用双螺杆挤出机制备PEEK、CNT/PEEK和CNP/PEEK复合材料丝材，其中丝材直径为1.75mm。基于熔融沉积打印工艺打印PEEK及其复合材料样件。打印工艺参数如下：喷嘴温度390℃，打印速度1000mm/min，底板温度100℃，层高0.1mm，线宽0.48mm，样件打印完成后对材料属性、力学性能和摩擦性能进行测量。

该团队通过测试发现材料的结晶特征如表1所示，添加1wt%CNT和3wt%CNP后复合材料的结晶度增加，当CNT与CNP含量继续增加时，由于纳米材料的团聚作其结晶度无法继续增加。

(a)PEEK材料 (b)CNP/PEEK复合材料 (C)CNT/PEEK复合材料

图1.PEEK及PEEK复合材料拉断面图

打印拉伸样件不同放大倍数断面如图1所示，PEEK材料断裂界面较为平整，近似于脆性断裂，并且PEEK基体中难以区分打印路径，说明所打印PEEK材料具有较好的层间结合。CNT/PEEK复合材料断裂方式与PEEK材料相近，但由于CNT/PEEK材料具有更多的层间缺陷，断裂表面出现可见的层间界面。CNP/PEEK材料的断面不同于纯PEEK和CNT/PEEK复合材料，其断面较为粗糙，材料失效过程存在塑性形变，说明添加CNP材料后能够增加材料的延展性。该团队对丝材和打印样件的密度进行检测，随着CNT和CNP含量增加，丝材密度随之增加，由于打印样件路径之间的存在空隙，造成所有打印的样件的密度均低于丝材密度。

(a)摩擦系数曲线 (b)PEEK磨损形貌 (C)CNT/PEEK磨损形貌 (d)GNP/PEEK磨损形貌

图2 PEEK及PEEK复合材料摩擦磨损测试结果

对材料的摩擦磨损性能进行测试后发现PEEK材料的摩擦系数稳定在0.25左右，而添加1wt%的CNT和3wt%GNP材料后其摩擦性能分别稳定在0.08和0.1，添加CNT和CNP后复合材料后表面硬度下降造成的摩擦系数下降。同时由于复合材料的低硬度和低致密度，CNT/PEEK和CNP/PEEK复合材料的磨损速率高于PEEK的磨损速率。

开发了PEEK及其复合材料的制备方法，并基于熔融沉积打印工艺成功打印CNT/PEEK和GNP/PEEK复合材料样件。PEEK材料与CNT和GNP材料复合后结晶增加，且GNP/PEEK复合材料具有较好的延展性，而CNT/PEEK复合材料表现出脆性断裂失效形式。添加CNT和GNP材料后复合材料具有更好的尺寸稳定性。相比PEEK材料，复合材料的磨损率升高，而摩擦系数降低。所制备的GNP/PEEK和CNT/PEE复合材料在整形外科，航天，石油和天然气以及汽车中的具有较好的应用前景

参考文献：
M.F. Arif, H. Alhashmi, K.M. Varadarajan, et al. Multifunctional performance of carbon nanotubes and graphene nanoplatelets reinforced PEEK composites enabled via FFF additive manufacturing[J]. Composites Part B: Engineering.2020.