中科院FDM 3D打印碳纤维/PEEK复合材料研究

基于FDM技术3D打印碳纤维/PEEK复合材料结构，其弯曲性能和断裂行为所表现出的微观结构与机理会是怎么样的呢？

近期，来自中国科学院空间应用工程与技术中心研究团队使用远铸智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印机FUNMAT HT对自主研发的碳纤维PEEK复合材料进行3D打印工艺的系统研究，取得重要科研进展。相关成果以论文《Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal Building Orientation by FDM: Microstructure and Mechanism》为题，发表于国际著名期刊《Polymers》(https://doi.org/10.3390/polym11040656)中，博士研究生李秋实为第一作者，赵伟助理研究员、王功研究员为该研究论文通讯作者。聚醚醚酮，简称PEEK，是一种热塑性聚合物，具有高强度，耐高温，耐化学腐蚀等特点，对3D打印行业有着举足轻重的影响。目前，聚醚醚酮已被用于制造3D打印卫星、3D打印汽车零部件、人体植入物，未来还将可能涉足其他领域。在PEEK 3D打印技术中，与大多数非金属材料类似，FDM工艺制造打印件的Z向层间结合力远低于X、Y方向，被认为是限制其应用的重要因素之一。

赵伟、李秋实等学者通过在丝材中掺杂碳纤维，并运用远铸智能FUNMAT HT机器研究了垂直打印方向对碳纤维聚醚醚酮3D打印件弯曲性能的影响，这种垂直方向打印的弯曲样条具有优异的力学性能，弯曲强度达到146 MPa，重要的是，还与传统注塑件具有接近一致的弯曲强度。

图1. 碳纤维PEEK 3D打印材料制备与打印过程

图2. 碳纤维掺杂与垂直打印方式打印件弯曲性能对比

作者发现碳纤维的引入，不仅提高了打印件的刚性强度，而且结晶度更均匀，同时分析了碳纤维引入和打印方向对于打印件微观结构组成、打印件受力断裂模式，这些都有利于大型部件的制造。同时，可以观察到运用远铸智能（INTAMSYS）3D打印机通过改变打印方向和打印参数，除打印件具有优异的力学性能，还具有较为光滑的表面。

△CF / PEEK零件的脆性弯曲断裂横截面的SEM电镜照片

总体上，该研究提出了一种普适性的制备满足多种受力情况PEEK打印件的方法，该方法为制备大型打印件提供了新思路，通过调节其他掺杂组分、打印方向和微观结构，运用远铸智能（INTAMSYS）3D打印机和INTAMSUITE软件，使得PEEK碳纤维材料有更强的空间适应性和更多的功能性，所制备的PEEK打印件有望在耐高温工业部件、汽车航天等领域得到进一步的应用。

现在越来越多的厂商开始涉足诸如PEEK类似的复合材料的3D打印技术，其表现出来的优异性能，让众多下游应用方跃跃欲试。这个方向可能让相对成熟的FDM 3D打印技术焕发出新的活力和生命。