FDM 3D打印碳纖維/PEEK復合材料研究，中科院空間應用中心獲重大科研成果

南極熊導讀：基于FDM技術3D打印碳纖維/PEEK復合材料結構，其彎曲性能和斷裂行為所表現出的微觀結構與機理會是怎么樣的呢？

近期，來自中國科學院空間應用工程與技術中心研究團隊使用遠鑄智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印機FUNMAT HT對自主研發(fā)的碳纖維PEEK復合材料進行3D打印工藝的系統(tǒng)研究，取得重要科研進展。相關成果以論文《Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal Building Orientation by FDM: Microstructure and Mechanism》為題，發(fā)表于國際著名期刊《Polymers》(https://doi.org/10.3390/polym11040656)中，博士研究生李秋實為第一作者，趙偉助理研究員、王功研究員為該研究論文通訊作者。

聚醚醚酮，簡稱PEEK，是一種熱塑性聚合物，具有高強度，耐高溫，耐化學腐蝕等特點，對3D打印行業(yè)有著舉足輕重的影響。目前，聚醚醚酮已被用于制造3D打印衛(wèi)星、3D打印汽車零部件、人體植入物，未來還將可能涉足其他領域。在PEEK 3D打印技術中，與大多數非金屬材料類似，FDM工藝制造打印件的Z向層間結合力遠低于X、Y方向，被認為是限制其應用的重要因素之一。

趙偉、李秋實等學者通過在絲材中摻雜碳纖維，并運用遠鑄智能FUNMAT HT機器研究了垂直打印方向對碳纖維聚醚醚酮3D打印件彎曲性能的影響，這種垂直方向打印的彎曲樣條具有優(yōu)異的力學性能，彎曲強度達到146 MPa，重要的是，還與傳統(tǒng)注塑件具有接近一致的彎曲強度。

圖1. 碳纖維PEEK 3D打印材料制備與打印過程

圖2. 碳纖維摻雜與垂直打印方式打印件彎曲性能對比

作者發(fā)現碳纖維的引入，不僅提高了打印件的剛性強度，而且結晶度更均勻，同時分析了碳纖維引入和打印方向對于打印件微觀結構組成、打印件受力斷裂模式，這些都有利于大型部件的制造。同時，可以觀察到運用遠鑄智能（INTAMSYS）3D打印機通過改變打印方向和打印參數，除打印件具有優(yōu)異的力學性能，還具有較為光滑的表面。

△CF / PEEK零件的脆性彎曲斷裂橫截面的SEM電鏡照片

總體上，該研究提出了一種普適性的制備滿足多種受力情況PEEK打印件的方法，該方法為制備大型打印件提供了新思路，通過調節(jié)其他摻雜組分、打印方向和微觀結構，運用遠鑄智能（INTAMSYS）3D打印機和INTAMSUITE軟件，使得PEEK碳纖維材料有更強的空間適應性和更多的功能性，所制備的PEEK打印件有望在耐高溫工業(yè)部件、汽車航天等領域得到進一步的應用。

南極熊注意到，現在越來越多的廠商開始涉足諸如PEEK類似的復合材料的3D打印技術，其表現出來的優(yōu)異性能，讓眾多下游應用方躍躍欲試。這個方向可能讓相對成熟的FDM 3D打印技術煥發(fā)出新的活力和生命。

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