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西安交通大學碳纖維3d打印:結晶度控制對3D打印短切碳纖維增強聚醚醚酮

2022-09-27

碳纖維增強聚醚醚酮(CF/PEEK)由于其機械強度優異、熱穩定性好、耐化學腐蝕和抗蠕變性強等特點被廣泛應用于生物醫學、航空航天和汽車工業領域,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等使用可控的環境溫度以及熱處理過程,實現了結晶度的控制,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。

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圖1 層間粘合強度測試

根據測試結果,隨著環境溫度從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下結晶的均勻性決定的。彎曲強度隨著環境溫度的提升,出現明顯提高,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,實現結晶度的控制,進一步探究熱處理對力學性能的影響規律。如圖2(a)所示,隨著熱處理溫度的提高,結晶度可以實現21.3%-35.2%的控制,隨著結晶度的提高,力學性能發生了顯著的改變,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了86.4MPa-234.2MPa和3.7GPa-9.5GPa范圍的變化。

end

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