南航单忠德院士团队丨低压退火对3D打印CF/PEEK复合材料性能的影响

1年前浏览2890

研究背景及目的

3D打印制备复合材料具有无需模具、材料利用率高、可设计性好等优点，尤其适于复杂复合材料构件的一体化成形制造。然而，相较于传统的制造方法，3D打印复合材料普遍存在孔隙率高、层间结合性能差等问题。因此，提高3D打印CFRP的层间性能已成为复合材料增材制造技术的一个重要发展方向。

论文亮点工作

①开发出一种真空退火后处理方法改善3D打印复合材料层间结合性能

②研究了不同后处理参数对3D打印CF/PEEK复合材料层间剪切性能的影响规律

③采用DSC、SEM、μ-CT等表征手段，系统研究了后处理过程对CF/PEEK复合材料层间性能影响的宏微观机制，并对后处理前后CF/PEEK复合材料的失效机制进行了分析和讨论。

图1 后处理过程ILSS演化

图2 后处理对复合材料结晶度的影响规律

图3 后处理过程微观孔隙结构演化

试验方法

本文试验材料选用纤维含量为10wt%的CF/PEEK打印丝材，采用一迈的MAGIC-HT-M打印设备进行试验样件的打印，样件打印参数为喷嘴温度420℃，热床温度100℃，腔室温度90℃，喷嘴直径0.4 mm，层厚0.2 mm，打印速度20 mm/s。样件成形后采用DZF-6050真空干燥箱对试件进行后处理。根据CF/PEEK丝材的DSC曲线上的关键温度（Tg=143℃，Tcc=170℃，Tm=340℃），选取150℃、180℃、210℃与240℃四个温度节点作为后处理温度。后处理时保持烘箱真空度为133Pa，改变后处理温度与保温时间，对不同后处理参数下的试件进行DSC测试、层间剪切测试、SEM测试与μ-CT测试。

结果

DSC结果表明，随着后处理温度的升高，CF/PEEK复合材料的结晶度由初始的11.3%提升至32%以上，且DSC曲线上冷结晶峰面积逐渐减小直至完全消失，这表明半结晶聚合物PEEK在后处理过程逐步形成二次结晶相并达到饱和，大量二次结晶态的出现使得制件的脆性提高。短梁剪切试验结果表明，随着后处理的进行，打印制件的ILSS可提升50%以上，且制件的刚度提高，最大变形挠度由原先的2.0 mm降低至1.2 mm以下。断面的SEM结果表明，随着后处理的进行，打印制件内部孔隙减少，样件产生的层间分层减少，且断裂面上出现的纤维拔出现象逐渐消失。μ-CT结果进一步表明，3D打印后的后处理可以使制件的孔隙率最高由原先的20.7%下降至12.1%。

论文主要结论

在本文中，CF/PEEK的最优后处理条件为240℃下保温180分钟。此时，3D打印制件的ILSS达到20.39MPa，提升50%以上。此外，制件的孔隙率从20.7%下降到12.1%。CF/PEEK的ILSS的提高可以归因于复合材料中结晶度的增加和孔隙率的减少。此外，长时间的保温使得PEEK分子链段可以活动，并逐步形成跨层分子链改善复合材料的层间结合性能。退火后，CF/PEEK的失效模式也发生了改变，由原先的层内裂纹扩展演变为跨层断面，且由于后处理过程改善了纤维/树脂界面结合，制件断面拔出纤维减少。

前景与应用

针对3D打印复合材料层间结合性能较差，难以工程化应用的问题，本文提出的这种真空后处理工艺有利于进一步提升3D打印复合材料层间结合强度，且这种后处理方法不受打印构件尺寸、形状的限制，未来可以采用这种后处理方法对3D打印复合材料构件进行成形后的二次增强，使构件性能能够满足工程实际需求。

论文链接与引用格式:

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100076

Xiao Yu, Wenzhe Song, Jinghua Zheng, Yiwei Chen, Linlin Luo, Congze Fan, Zhongde Shan. Effects of Low-pressure Annealing on the Performance of 3D Printed CF/PEEK Composites. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023, 2(2): 100076.

团队带头人介绍

单忠德，中国工程院院士，南京航空航天大学校长，博士生导师。长期从事先进复合材料成形技术与装备、绿色智能制造技术与装备研究，主持国家自然科学基金重大研究计划、重点研发计划、国家04专项等重大重点科研项目40余项，以第一完成人获国家科技进步一等奖、国家技术发明二等奖、中国专利金奖等，指导培养博士、硕士研究生80余人。

团队研究方向

团队长期从事数字化机械装备与先进成形制造研究，主要开展了数字化精密成形、数字化三维织造、数字化增材制造等理论方法与关键技术的基础研究。

近年团队发表文章

[1] Liu X, Shan Z, Liu J, et al. Mechanical and electrical properties of additive manufactured high-performance continuous glass fiber reinforced PEEK composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2022, 247: 110292.

[2] Huang H, Shan Z, Liu J, et al. A unified trans-scale mechanical properties prediction method of 3D composites with void defects[J]. Composite Structures, 2023, 306: 116574.

[3] Chen Y, Shan Z, Yang X, et al. Preparation of CCF/PEEK filaments together with property evaluation for additive manufacturing[J]. Composite Structures, 2022, 281: 114975.

[4] Wu S, Shan Z, Chen K, et al. Investigation of bending performance of printed continuous carbon fiber reinforced polylactic acid using acoustic emission[J]. Polymer Composites, 2022.

[5] Chen Y, Shan Z, Yang X, et al. Influence of preheating temperature and printing speed on interlaminar shear performance of laser-assisted additive manufacturing for CCF/PEEK composites[J]. Polymer Composites, 2022, 43(6): 3412-3425.

[6] Wu S, Shan Z, Chen K, et al. Investigation of bending properties of continuous fiber reinforced resin T-beams made by 3D printing[C]//Structures. Elsevier, 2023, 50: 835-841.

[7] Guo Z, Shan Z, Huang H, et al. Effect of Different Z-directional Fibers on Mechanical Properties of Composites Using Numerical and Experimental Tests[J]. Applied Composite Materials, 2022, 29(6): 2265-2292.

[8] Guo Z, Shan Z, Huang J H, et al. Effect of fiber twisting on the Z-directional properties of composites[J]. Textile Research Journal, 2022, 92(23-24): 4933-4953.

[9] Guo Z, Shan Z, Huang J, et al. Study on the Distribution of Frictional Forces on Z-yarn Continuous Implanted Preforms and Their Applications[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2022, 35(1): 62.

[10] Guo Z, Huang H, Shan Z, et al. A digital implantation system for Z-direction yarn of three-dimensional preform based on flexible oriented woven process[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2022, 116: 105385.