增材制造CNT/PEEK與GNP/PEEK復(fù)合材料

供稿人:陳義，魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

PEEK復(fù)合材料可有改善PEEK的力學(xué)性能、生物相容性、耐磨性等，增材制造可實現(xiàn)PEEK復(fù)合材料的復(fù)雜零部件的制備。為進一步改善PEEK材料的成型穩(wěn)定性與摩擦磨損性能，近期M.F. Arif團隊制備了碳納米管(CNT)和石墨烯納米片(CNP)與PEEK復(fù)合材料樣件。該團隊通過材料共混的方式制備 CNT/PEEK復(fù)合材料以及CNP/PEEK復(fù)合材料，并使用雙螺桿擠出機制備PEEK、CNT/PEEK和CNP/PEEK復(fù)合材料絲材，其中絲材直徑為1.75mm�；�于熔融沉積打印工藝打印PEEK及其復(fù)合材料樣件。打印工藝參數(shù)如下：噴嘴溫度390℃，打印速度1000mm/min，底板溫度100℃，層高0.1mm，線寬0.48mm，樣件打印完成后對材料屬性、力學(xué)性能和摩擦性能進行測量。

該團隊通過測試發(fā)現(xiàn)材料的結(jié)晶特征如表1所示，添加1wt%CNT和3wt%CNP后復(fù)合材料的結(jié)晶度增加，當CNT與CNP含量繼續(xù)增加時，由于納米材料的團聚作其結(jié)晶度無法繼續(xù)增加。

(a)PEEK材料 (b)CNP/PEEK復(fù)合材料 (C)CNT/PEEK復(fù)合材料

圖1.PEEK及PEEK復(fù)合材料拉斷面圖

打印拉伸樣件不同放大倍數(shù)斷面如圖1所示，PEEK材料斷裂界面較為平整，近似于脆性斷裂，并且PEEK基體中難以區(qū)分打印路徑，說明所打印PEEK材料具有較好的層間結(jié)合。CNT/PEEK復(fù)合材料斷裂方式與PEEK材料相近，但由于CNT/PEEK材料具有更多的層間缺陷，斷裂表面出現(xiàn)可見的層間界面。CNP/PEEK材料的斷面不同于純PEEK和CNT/PEEK復(fù)合材料，其斷面較為粗糙，材料失效過程存在塑性形變，說明添加CNP材料后能夠增加材料的延展性。該團隊對絲材和打印樣件的密度進行檢測，隨著CNT和CNP含量增加，絲材密度隨之增加，由于打印樣件路徑之間的存在空隙，造成所有打印的樣件的密度均低于絲材密度。

(a)摩擦系數(shù)曲線 (b)PEEK磨損形貌 (C)CNT/PEEK磨損形貌 (d)GNP/PEEK磨損形貌

圖2 PEEK及PEEK復(fù)合材料摩擦磨損測試結(jié)果

對材料的摩擦磨損性能進行測試后發(fā)現(xiàn)PEEK材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.25左右，而添加1wt%的CNT和3wt%GNP材料后其摩擦性能分別穩(wěn)定在0.08和0.1，添加CNT和CNP后復(fù)合材料后表面硬度下降造成的摩擦系數(shù)下降。同時由于復(fù)合材料的低硬度和低致密度，CNT/PEEK和CNP/PEEK復(fù)合材料的磨損速率高于PEEK的磨損速率。

開發(fā)了PEEK及其復(fù)合材料的制備方法，并基于熔融沉積打印工藝成功打印CNT/PEEK和GNP/PEEK復(fù)合材料樣件。PEEK材料與CNT和GNP材料復(fù)合后結(jié)晶增加，且GNP/PEEK復(fù)合材料具有較好的延展性，而CNT/PEEK復(fù)合材料表現(xiàn)出脆性斷裂失效形式。添加CNT和GNP材料后復(fù)合材料具有更好的尺寸穩(wěn)定性。相比PEEK材料，復(fù)合材料的磨損率升高，而摩擦系數(shù)降低。所制備的GNP/PEEK和CNT/PEE復(fù)合材料在整形外科，航天，石油和天然氣以及汽車中的具有較好的應(yīng)用前景

參考文獻：
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.