摘要: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
一、引言
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。
二、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。
三、 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.
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责任编辑:复小可
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来源:晓晨科技观察