填充图案对3D打印PEEK材料力学性能和应力松弛行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Infill Pattern on the Mechanical Properties and Stress Relaxation Behavior of 3D Printed PEEK

本研究系统评估了八种代表性填充结构对3D打印聚醚醚酮（PEEK）瞬时机械性能和长期应力松弛的影响，发现蜂窝和网格结构在刚度和强度上表现最佳，同时具有较低的应力松弛率，为航空航天和生物医学领域的长期负载部件设计提供了关键结构选择规则。

　　聚醚醚酮（PEEK）作为一种高性能聚合物，因其出色的机械性能、良好的生物相容性、高温稳定性、化学稳定性和耐磨性，广泛应用于航空航天和生物医学领域。这些特性使得PEEK成为制造如轴承、齿轮、密封件、飞机座椅、骨植入物和关节替代品等复杂部件的理想材料。同时，PEEK还因其适合3D打印的特性而受到关注，能够实现传统工艺难以达到的复杂内部和外部几何结构。与传统加工相比，3D打印不仅降低了材料使用量，从而减少制造成本，还允许根据具体需求进行定制化生产，并显著提升了设计自由度，使得制造复杂结构成为可能。然而，尽管PEEK的这些优势已被广泛认可，其在长期载荷下的行为，特别是应力松弛特性，仍然缺乏深入研究。这使得在实际应用中，特别是在需要长期结构稳定性和承载能力的场景下，PEEK的设计与性能优化仍存在挑战。

本研究通过系统分析八种代表性的填充结构（线状、网格、蜂窝状、三角形、三维格子、希尔伯特曲线、同心圆和随机填充）在约30%相对密度下的表现，评估其对PEEK打印件的瞬时拉伸性能和时间依赖的应力松弛行为。研究结果表明，蜂窝状和网格填充结构在拉伸测试中表现优于传统的线状和三角形填充结构，能够提供高达25%的弹性模量和屈服强度的提升。在长时间的应力松弛实验中，这些填充结构也表现出更高的残余应力保留率，说明它们在粘弹性稳定性方面更具优势。通过相关微计算机断层扫描（micro-CT）成像和有限元建模（FEM），进一步揭示了填充结构对性能提升的机制，即更均匀的应力分布和优化的载荷传递路径。有限元模拟的结果与实验曲线高度吻合，验证了结构设计对性能影响的解释。这些结果为在需要长期承载能力的PEEK部件（如航空航天结构件、长期生物医学设备、密封件和夹具）中选择填充结构提供了直接的设计指导，并为国际上关于结构化聚合物力学的研究提供了量化评估，以平衡刚度、强度和粘弹性保持之间的权衡。

研究的重点在于通过3D打印技术，特别是熔融沉积制造（Fused Filament Fabrication, FFF）方法，探索不同填充结构对PEEK机械性能和应力松弛行为的影响。通过比较不同填充结构下的样品，研究团队不仅分析了PEEK的性能，还与其他常见的FFF材料（如聚乳酸PLA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PETG、丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和热塑性聚氨酯TPU）进行了对比。这些材料虽然在高精度结构应用方面无法与PEEK相媲美，但作为参考材料，它们为理解不同填充结构对聚合物性能的影响提供了更广泛的视角。研究结果表明，PEEK在填充结构优化方面具有显著优势，特别是在提高刚度和强度的同时，还能有效控制粘弹性行为，从而满足长期稳定性的需求。

研究团队通过实验和建模相结合的方法，深入分析了填充结构对机械性能的影响。在实验过程中，采用了标准化的拉伸测试和应力松弛实验，同时通过微CT扫描重建了实际的打印几何结构，并基于此结构建立了有限元模型，以揭示填充结构与机械性能之间的内在关系。通过这些手段，研究不仅量化了填充结构对PEEK打印件性能的影响，还为工程师在实际应用中选择和设计填充结构提供了新的思路。研究还强调，尽管当前实验和建模方法为填充结构的优化提供了有力支持，但实验仍局限于实验室环境下的条件，未考虑温度、湿度等环境因素对粘弹性行为的影响，以及长期蠕变和热老化现象，这些都为未来的研究留下了空间。

在填充结构的选择上，研究发现，对于需要长期稳定性和承载能力的应用，如航空航天连接件和长期生物医学设备，网格和蜂窝状填充结构表现最佳。它们不仅提供了更高的刚度和强度，还表现出较低的应力松弛率，这使得它们在长期使用中更具优势。相比之下，线状和希尔伯特曲线填充结构在机械强度和应力松弛率方面表现较差，这表明它们在载荷分布和应力耗散方面效率较低。此外，研究还发现，填充结构的几何特征，如连接性、路径曲折度和局部截面连续性，对内部应力均匀化起着关键作用。这些发现为未来研究提供了重要的参考，特别是在探索填充结构如何影响3D打印材料在长期载荷下的性能方面。

为了进一步提升材料的性能，研究还对其他填充结构的机械行为进行了分析。例如，网格填充结构因其高节点密度和正交结构，能够有效提高刚度并抑制局部屈服。而蜂窝状填充结构由于其高连接性和各向同性几何结构，能够实现多向应力再分布，从而减少应力集中。这些结构在提升PEEK的机械性能方面表现出色，但同时也存在一定的局限性。例如，某些填充结构可能因局部应力集中而加速应力松弛，这可能影响其在长期应用中的可靠性。因此，为了确保PEEK在各种应用场景下的性能稳定，研究强调了填充结构优化的重要性。

此外，研究还通过实验和建模方法，对不同填充结构下的PEEK样品进行了详细的性能分析。实验结果表明，不同填充结构对PEEK的刚度和强度有显著影响，而建模结果则进一步揭示了这些影响的机制。通过有限元模拟，研究团队能够更直观地观察到填充结构对内部应力分布和应变场的影响，从而为优化填充结构提供了理论支持。同时，研究还发现，填充结构的几何特征在影响材料性能方面具有重要作用。例如，某些填充结构由于其复杂的路径设计，可能导致局部应力集中，从而加速应力松弛。而另一些填充结构则能够实现更均匀的应力分布，从而提升材料的长期稳定性。

在实际应用中，填充结构的选择需要根据具体需求进行权衡。例如，在需要高强度和长期稳定性的航空航天和生物医学应用中，网格和蜂窝状填充结构是更优的选择。而在需要一定柔性和弹性特性的密封件或夹具中，某些具有较高应力松弛率的填充结构可能更合适。此外，研究还发现，填充结构的优化可以显著提升3D打印材料的性能，而不必改变材料的化学组成或进行复杂的后处理。这为未来的材料设计和制造提供了新的思路，即通过几何结构的优化来实现材料性能的提升。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。例如，实验条件仅限于实验室环境下的标准设置，未考虑实际应用中可能遇到的温度、湿度等环境因素对粘弹性行为的影响。此外，实验仅限于约30%的相对密度，未涉及其他密度情况下的性能表现。这些局限性意味着未来的研究需要进一步拓展实验条件，包括温度-时间范围和环境因素，以更全面地评估填充结构对PEEK性能的影响。同时，研究还建议采用更复杂的粘弹性模型和界面行为分析，以更准确地预测材料在长期使用中的性能表现。

综上所述，本研究通过系统分析不同填充结构对PEEK机械性能和应力松弛行为的影响，为工程师在实际应用中选择和设计填充结构提供了重要的参考。研究结果表明，填充结构的优化是提升3D打印材料性能的关键因素，特别是在平衡短期强度和长期粘弹性保持方面。通过实验和建模的结合，研究不仅揭示了填充结构对材料性能的影响机制，还为未来的材料设计和制造提供了新的方向。这些发现对于推动结构化聚合物力学的研究具有重要意义，特别是在探索如何通过几何设计提升材料性能和应用可靠性方面。