高强度高刚度玻璃纤维增强 PEEK 复合材料SLS 3D打印

来源： 复合材料力学

随着航天技术的不断发展，对结构材料提出了更高的要求。聚醚醚酮 (PEEK) 及其复合材料因其优异的力学性能、耐高温性能和耐辐射性能，在航天领域展现出巨大的应用潜力。选择性激光熔化 (SLS) 技术作为一种先进的增材制造技术，能够直接制造复杂、轻量化的 PEEK 基结构部件，无需传统加工所需的模具，具有高效、灵活的优势。目前，SLS 技术在 PEEK 材料中的应用已经取得了显著的进展，但仍面临着一些挑战。例如，高性能 PEEK 材料的高预热温度和缺乏外部驱动力的特性使得 SLS 过程较为困难。此外，玻璃纤维增强 PEEK 复合材料的界面结合问题也限制了其力学性能的提升。

近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由南京理工大学、上海交通大学和新加坡国立大学发表的有关SLS 打印高性能玻璃纤维增强 PEEK 复合材料的研究成果。该研究成功实现了高刚度、高强度的玻璃纤维增强 PEEK 复合材料的 SLS 打印，并揭示了界面结合和粉末床质量对力学性能的影响。该研究成果对于推动 PEEK 复合材料在航天领域的应用具有重要意义。论文标题为“3D printing of high-stiffness and high-strength glass fiber reinforced PEEK composites by selective laser sintering”的论文。

研究内容
该研究首先对玻璃纤维进行表面处理，使用 KH550 和磺化 PEEK 改性玻璃纤维表面，以提高其与 PEEK 基体之间的界面结合。随后，将预干燥的 PEEK 粉末与纳米级 SiO2 流动剂混合，并加入改性玻璃纤维，制备出适用于 SLS 的玻璃纤维/PEEK 粉末。

图1  玻璃纤维改性的示意图。

改性玻璃纤维的添加有效提高了SLS制备的玻璃纤维增强PEEK复合材料的界面结合强度，从而显著提升了复合材料的力学性能。

图2 玻璃纤维/PEEK 粉末制备的示意图。

研究使用了改进后的玻璃纤维/PEEK粉末在Farsoon超高温SLS平台上进行3D打印，并探究不同工艺参数（激光功率、扫描速度、层厚等）对复合材料性能的影响。

图3  重构的玻璃纤维 (蓝色) 和 PEEK (米色) 粒子。

图4 粉末铺粉的多层模型。

使用拉伸测试、XCT 扫描和 SEM 分析研究了样品的力学性能和微观结构，结果表明，改性玻璃纤维显著提高了拉伸强度和弹性模量，而玻璃纤维含量的增加会导致力学性能下降和孔隙率增加。

图5  使用改性玻璃纤维的SLS复合材料的微观结构与使用未改性玻璃光纤的SLS材料的微观组织进行了比较。

此外，研究人员使用离散元法 (DEM) 模拟了玻璃纤维/PEEK 粉末的铺粉过程，并评估了粉末床质量随玻璃纤维含量增加而下降的趋势。DEM 模拟结果与实验结果吻合，验证了模拟的准确性，并进一步解释了纤维含量对粉末床质量的影响。

图6  粉末铺展后的感兴趣区域，纤维重量分数为30%和40%。

图7  玻璃纤维/PEEK 复合材料不同纤维含量的成形过程的数值模拟：(a) 模拟的静止角和 (b) 粒子运动。

小结
该研究成功实现了高刚度、高强度的玻璃纤维增强 PEEK 复合材料的 SLS 打印，并揭示了界面结合和粉末床质量对力学性能的影响。该研究成果对于推动 PEEK 复合材料在航天领域的应用具有重要意义。

原始文献：
Tang, H., Zhang, S., He, L., Yang, Z., & Liu, T. (2024). 3D printing of high-stiffness and high-strength glass fiber reinforced PEEK composites by selective laser sintering. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 187, 108470.

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108470