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

3D打印前沿
2021
04/01
09:46
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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。

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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。

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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.


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