連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再獲突破：CCF/PEEK 3D打印探索高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造前景

來(lái)源： 斐帛科技

PEEK（聚醚醚酮）作為一種高熔點(diǎn)半晶態(tài)工程塑料，因其良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，以及優(yōu)異的力學(xué)性能和生物兼容性而受到航空、航天、汽車(chē)工業(yè)以及醫(yī)療等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注和研究。

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK（CCF/PEEK）復(fù)合材料通過(guò)傳統(tǒng)的熱壓技術(shù)而制成的高性能制件在20世紀(jì)已經(jīng)被應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而受限于制造方式，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件依然無(wú)法通過(guò)該方式獲得，這也成為約束CCF/PEEK復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)至關(guān)重要的難題。

西安交通大學(xué)研究人員與陜西斐帛科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“斐帛科技”）合作，利用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造裝備開(kāi)發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)CCF/PEEK復(fù)合材料增材制造。如圖1所示，研究人員利用斐帛科技的COMBOT-I 打印機(jī)引入激光實(shí)時(shí)輔熱處理工藝，并結(jié)合纖維預(yù)浸漬工藝，有效地提升了打印中的Z向性能從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制件整體力學(xué)性能的提高。

圖1 CCF/PEEK復(fù)合材料打印及測(cè)試流程示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，在實(shí)施激光實(shí)時(shí)熱處理之前，連續(xù)纖維的引入非常容易使制件內(nèi)部形成多尺度的弱結(jié)合界面，而通過(guò)引入激光和預(yù)浸漬工藝技術(shù)則能夠極大的改善內(nèi)部的各種弱結(jié)合，從而避免過(guò)早的失效和較差的力學(xué)性能，層間剪切性能與拉伸性能分別達(dá)到了35MPa 和 480MPa。不僅僅是針對(duì)CCF/PEEK復(fù)合材料，研究人員前期已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于純PEEK材料熔融沉積3D打印工藝，激光預(yù)熱對(duì)于制件的性能改善都大有裨益，層間剪切性能提高了45%[2]。激光通過(guò)在局部被材料快速吸收升溫，一方面避免了大面積體積収縮，同時(shí)又保證其較充分的結(jié)晶，從而極大改善制件的模量、各項(xiàng)力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性等。

圖2 性能改善對(duì)比圖

本項(xiàng)目獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目-連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造機(jī)理研究（2017YFB1103401）資助。

斐帛科技是一家從事3D打印高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的新型科技公司，與西安交通大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)緊密合作，以自主研發(fā)的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝（CFRTPCs）為基礎(chǔ)，為高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-材料設(shè)計(jì)-制造工藝-性能評(píng)估提供高性?xún)r(jià)比的測(cè)試、試驗(yàn)和工藝平臺(tái)，面向航空航天、汽車(chē)交通、石油化工等領(lǐng)域提供高性能復(fù)合材料完整的解決方案，竭誠(chéng)為客戶(hù)提供高性能復(fù)合材料的工藝、裝備和測(cè)試服務(wù)。

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