西安交通大学：结晶度控制对3D打印短切碳纤维增强聚醚醚酮

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

碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）由于其机械强度优异、热稳定性好、耐化学腐蚀和抗蠕变性强等特点被广泛应用于生物医学、航空航天和汽车工业领域，然而该材料的基体PEEK具有结晶、大分子链和高熔点的特点，将该种材料应用于3D打印的过程中会发生显著的收缩变形和翘曲开裂。

西安交通大学的Dong Yang等使用可控的环境温度以及热处理过程，实现了结晶度的控制，并研究了不同结晶度条件下对变形和力学性能的影响效果，并根据结果确定了力学性能的可控范围。

力学性能的测试采用多功能力学试验机以1mm/min的测试速度进行机械测试，拉伸和弯曲测试样件分别按照GB/T 140.1-2006 和 GB/T1449-2005的标准进行制备。材料收缩变形的测试如图1所示，测试样件尺寸为100mm×10mm×4mm，通过计算翘起高度与长度的比值，得到翘曲度。

图1 层间粘合强度测试

根据测试结果，随着环境温度从20℃升高到200℃，结晶度从21.3%逐步增加到32.5%，翘曲变形则是先增加后减小，翘曲变形的变化主要由不同温度状态下结晶的均匀性决定的。弯曲强度随着环境温度的提升，出现明显提高，抗弯强度从86.4 MPa逐渐增加到201 MPa。

通过热处理将样件进行重结晶，实现结晶度的控制，进一步探究热处理对力学性能的影响规律。如图2(a)所示，随着热处理温度的提高，结晶度可以实现21.3%-35.2%的控制，随着结晶度的提高，力学性能发生了显著的改变，如图2(b)所示，断裂伸长率从结晶度21.3%时的124%，骤降到结晶度35.2%时的2.56%，如图2(c)-(f)所示，随着结晶度从21.3%增加到35.2%，CF/PEEK 复合材料的拉伸强度从50.8MPa逐渐增加到135.0MPa，拉伸弹性模量从3.5GPa增加到9.2GPa，弯曲强度和弯曲弹性模量分别实现了86.4MPa-234.2MPa和3.7GPa-9.5GPa范围的变化。

图2 热处理对结晶度和力学性能的影响规律

参考文献：
Yang, D., Y. Cao, Z. Zhang, Y. Yin and D. Li. (2021). "Effects of crystallinity control on mechanical properties of 3D-printed short-carbon-fiber-reinforced polyether ether ketone composites." Polymer Testing 97: 107149.