西安交通大學：結晶度控制對3D打印短切碳纖維增強聚醚醚酮

供稿人：馬聚隆 李滌塵 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

碳纖維增強聚醚醚酮（CF/PEEK）由于其機械強度優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好、耐化學腐蝕和抗蠕變性強等特點被廣泛應用于生物醫(yī)學、航空航天和汽車工業(yè)領域，然而該材料的基體PEEK具有結晶、大分子鏈和高熔點的特點，將該種材料應用于3D打印的過程中會發(fā)生顯著的收縮變形和翹曲開裂。

西安交通大學的Dong Yang等使用可控的環(huán)境溫度以及熱處理過程，實現(xiàn)了結晶度的控制，并研究了不同結晶度條件下對變形和力學性能的影響效果，并根據(jù)結果確定了力學性能的可控范圍。

力學性能的測試采用多功能力學試驗機以1mm/min的測試速度進行機械測試，拉伸和彎曲測試樣件分別按照GB/T 140.1-2006 和 GB/T1449-2005的標準進行制備。材料收縮變形的測試如圖1所示，測試樣件尺寸為100mm×10mm×4mm，通過計算翹起高度與長度的比值，得到翹曲度。

圖1 層間粘合強度測試

根據(jù)測試結果，隨著環(huán)境溫度從20℃升高到200℃，結晶度從21.3%逐步增加到32.5%，翹曲變形則是先增加后減小，翹曲變形的變化主要由不同溫度狀態(tài)下結晶的均勻性決定的。彎曲強度隨著環(huán)境溫度的提升，出現(xiàn)明顯提高，抗彎強度從86.4 MPa逐漸增加到201 MPa。

通過熱處理將樣件進行重結晶，實現(xiàn)結晶度的控制，進一步探究熱處理對力學性能的影響規(guī)律。如圖2(a)所示，隨著熱處理溫度的提高，結晶度可以實現(xiàn)21.3%-35.2%的控制，隨著結晶度的提高，力學性能發(fā)生了顯著的改變，如圖2(b)所示，斷裂伸長率從結晶度21.3%時的124%，驟降到結晶度35.2%時的2.56%，如圖2(c)-(f)所示，隨著結晶度從21.3%增加到35.2%，CF/PEEK 復合材料的拉伸強度從50.8MPa逐漸增加到135.0MPa，拉伸彈性模量從3.5GPa增加到9.2GPa，彎曲強度和彎曲彈性模量分別實現(xiàn)了86.4MPa-234.2MPa和3.7GPa-9.5GPa范圍的變化。

圖2 熱處理對結晶度和力學性能的影響規(guī)律

參考文獻：
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.