基于熔融成积3D打印碳纤维聚醚醚酮复合材料的制备及其层间和界面性能的调控

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3D打印是一种综合诸多领域的前沿技术,以快速成型、个性定制等优势,为传统行业的发展注入了新动力。其中熔融沉积成型(FDM)因其操作简单、成本低、材料种类多样,成为了最常见、应用最广泛的3D打印技术之一。然而受FDM逐层打印工艺影响,沿Z轴方向熔丝与相邻沉积丝之间融合不足,导致3D打印制品存在层间粘结强度薄弱的问题,尤其对于聚醚醚酮(PEEK)这种快速结晶的高性能树脂而言,这种缺陷更为明显,很大程度上阻碍了其应用。本项目也是以PEEK为研究对象,采用与聚醚醚酮具有相似结构的慢结晶型聚合物聚醚酮酮(PEKK)共混来降低PEEK的结晶速度,进行层间增强改性,制备一系列新型3D打印PEEK层间增强树脂;之后将不同含量的碳纤维引入到上述树脂之中以获取综合性能更加优异的3D打印PEEK材料。 聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶型高性能热塑性工程塑料,其典型结晶度低于30%,并且可达到的最大结晶度约为48%。它耐高温、耐腐蚀、耐磨,具有阻燃、无毒、质轻、绝缘和机械性能好等优点,在航空航天、生物医学、消费电子等领域应用广泛。熔融沉积成型(FDM)是最常见、应用最广泛的3D打印技术之一。在此工艺中,热塑性线材通过夹棍机构送入机器,并通过喷嘴加热至熔点以上,线材的固体部分充当“活塞”将熔体从喷嘴挤出并以支柱的形式沉积在打印平台上,打印喷头可沿X-Y方向移动,在每一层沉积完成后,材料迅速凝固并与周围材料黏附在一起,打印平台会进行一层一层地升降,层层打印。这种“逐层构建”的方式可以制造出任何复杂的三维部件。从FDM原理可知,打印过程中沿Z轴方向连续挤出熔丝与相邻层间沉积熔丝之间融合的不足,导致层间粘结强度薄弱。这使得FDM制造的零件,其各向异性相比于模压、注塑成型等加工方式制造的零件更加明显[1],并在一定程度上限制了3D打印制品作为承载结构件的应用。