短纤维增强的PEEK复合材料制备及其通过FDM打印的综合性能评估

供稿人：马聚隆 李涤尘
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

熔融沉积建模（FDM）作为一种较为成熟的3D打印工艺，被广泛应用于基体聚合物的制造，但是基体聚合物的固有性能通常受到限制，亟需开发纤维增强的高性能热塑性复合材料，提高材料综合性能。

山东大学的Peng Wang等分别将短切的碳纤维（CF）和玻璃纤维（GF）与PEEK混合，通过挤出工艺，成功制造了短纤维增强的PEEK复合材料细丝，并探索纤维类型和纤维含量对复合长丝FDM打印零件力学性能的影响。探究了FDM打印短纤维增强PEEK复合材料在工程应用中的潜力。为复杂形状，高强度和轻量级的零件提供快速原型制作方法，以有效地满足各种制造要求。

短纤维增强的PEEK复合长丝制备如图1所示，在PEEK中分别添加了两种短切纤维（碳纤维和玻璃纤维），为了改善纤维-基质的界面键合能力，在共混前，碳纤维和玻璃纤维分别通过阳极氧化和硅烷偶联剂进行处理。PEEK和短切纤维共混后，经过了双螺杆挤出、造粒、单螺杆挤出等过程，制备了线径稳定的复合长丝。

图1 复合长丝的制备工艺

如图2（a）和（b）所示，与纯PEEK相比，纤维增强的PEEK复合材料的拉伸强度和弯曲强度都得到了改善，其中拉伸性能增强最为明显的是5wt%的CF/PEEK材料，最大拉伸强度达到94MPa；弯曲强度增强最为显著的是5wt%的GF/PEEK，最大抗弯强度达到165MPa；由于高纤维含量复合长丝中孔隙率的增加，随着短切纤维质量分数的提升，机械性能显著降低。如图2（b）和（c）所示，由于GF和PEEK之间界面结合更加牢固，难以将纤维与PEEK分离，在相同质量分数下，GF / PEEK的性能要优于CF / PEEK。如图2（d）所示，与纯PEEK相比，添加纤维导致延展性降低。这是由于短纤维阻碍了PEEK聚合物链的有序排列，从而使聚合物链容易断裂。同时可以看出，纤维的类型和含量对聚合物的断裂伸长率没有明显的影响。

图2 FDM打印的（a）拉伸强度，（b）弯曲强度，（c）冲击强度，（d）断裂伸长率

参考文献：
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.