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3D打印突破碳纤维增强PEEK复合材料粉末床熔融成形机理

    聚醚醚酮(简称PEEK)是一种具有优异力学性能的高温热塑性塑料,具有较高的玻璃化转变温度(145℃)和熔点(339℃),采用纤维增强的PEEK复合材料具有更高的强度、模量及热变形温度,可代替铝及铝合金等金属材料用于航空航天、汽车制造等领域。激光选区烧结(SLS)作为3D打印技术中的一种,在制备复杂结构制件及结构优化方面具有独特的优势,这就使得PEEK及其复合材料的3D打印具有较大的吸引力。

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    然而,目前PEEK及其复合材料的SLS制件强度均低于其注塑件,从而大大限制了PEEK及其复合材料的3D打印制件的应用范围;同时,较高的加工温度(>300℃)对设备提出了更大的挑战,目前可用于PEEK材料SLS成形的设备较少,商业化的设备仅有EOSP800、EOSP810等,但是其价格昂贵,系统封闭,这就为PEEK的SLS工艺研究及复合材料的配方研究产生了很大的限制。

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    图1.PEEK和CF/PEEK复合材料的零剪切粘度与温度的关系该文章采用SLS制备高强度碳纤维(CF)增强PEEK复合材料,基于高温流变行为对CF/PEEK复合材料的烧结机理进行了深入研究。通过将模拟温度分布与粘度-温度关系相结合来定义新的有效熔化区域,并用于预测工艺规划。

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    图2.由PEEK和CF/PEEK(a-e)计算的有效熔化区域和PEEK(f)的热重曲线根据计算结果,对CF/PEEK开展了SLS工艺实验,结果表明,当激光功率为18.5W、扫描速度3000mm/s、扫描间距0.12mm,分层厚度为0.1mm时,10%碳纤维含量的复合材料的拉伸强度达到109±1MPa、拉伸模量为7365±468MPa;5%碳纤维含量的复合材料的弯曲强度达到183±4MPa,均远高于PEEK的注塑件。从而证明了基于零切粘度的有效熔融区域的计算可作为SLS热模型的补充,用于高熔体黏度的聚合物及其复合材料的SLS工艺预测,同时,高强度高模量CF/PEEK的SLS制件也为航空航天领域制件的拓扑优化、快速制造等提供了可能。

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    图3.SLS烧结过程及标准测试样件参考文献

    MengxueYan,XiaoyongTian*,GangPeng,DichenLiet.al,HighTemperatureRheologicalBehaviorandSinteringKineticsofCF/PEEKCompositesduringSelectiveLaserSintering,CompositesScienceandTechnology165C(2018)pp.140-147

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