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西安交通大学:结晶度控制对3D打印短切碳纤维增强聚醚醚酮

时间:2022-09-27 20:28 来源:西安交通大学 作者:admin 阅读:
      碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)由于其机械强度优异、热稳定性好、耐化学腐蚀和抗蠕变性强等特点被广泛应用于生物医学航空航天汽车工业领域,然而该材料的基体PEEK具有结晶、大分子链和高熔点的特点,将该种材料应用于3D打印的过程中会发生显著的收缩变形和翘曲开裂。
       西安交通大学的Dong Yang等使用可控的环境温度以及热处理过程,实现了结晶度的控制,并研究了不同结晶度条件下对变形和力学性能的影响效果,并根据结果确定了力学性能的可控范围。
       力学性能的测试采用多功能力学试验机以1mm/min的测试速度进行机械测试,拉伸和弯曲测试样件分别按照GB/T 140.1-2006 和 GB/T1449-2005的标准进行制备。材料收缩变形的测试如图1所示,测试样件尺寸为100mm×10mm×4mm,通过计算翘起高度与长度的比值,得到翘曲度。


图1 层间粘合强度测试

根据测试结果,随着环境温度从20℃升高到200℃,结晶度从21.3%逐步增加到32.5%,翘曲变形则是先增加后减小,翘曲变形的变化主要由不同温度状态下结晶的均匀性决定的。弯曲强度随着环境温度的提升,出现明显提高,抗弯强度从86.4 MPa逐渐增加到201 MPa。

通过热处理将样件进行重结晶,实现结晶度的控制,进一步探究热处理对力学性能的影响规律。如图2(a)所示,随着热处理温度的提高,结晶度可以实现21.3%-35.2%的控制,随着结晶度的提高,力学性能发生了显著的改变,如图2(b)所示,断裂伸长率从结晶度21.3%时的124%,骤降到结晶度35.2%时的2.56%,如图2(c)-(f)所示,随着结晶度从21.3%增加到35.2%,CF/PEEK 复合材料的拉伸强度从50.8MPa逐渐增加到135.0MPa,拉伸弹性模量从3.5GPa增加到9.2GPa,弯曲强度和弯曲弹性模量分别实现了86.4MPa-234.2MPa和3.7GPa-9.5GPa范围的变化。


图2 热处理对结晶度和力学性能的影响规律

参考文献:
Yang, D., Y. Cao, Z. Zhang, Y. Yin and D. Li. (2021). "Effects of crystallinity control on mechanical properties of 3D-printed short-carbon-fiber-reinforced polyether ether ketone composites." Polymer Testing 97: 107149.

(责任编辑:admin)

weixin
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